機(jī)墩厚度和開(kāi)孔率對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性影響分析研究

羅乾坤，冉昱呈，張順利，李治國(guó)

(中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

發(fā)電廠房是水電站的重要建筑物，承擔(dān)著將水能轉(zhuǎn)換為電能的任務(wù)。水電站廠房屬于動(dòng)力廠房，由于結(jié)構(gòu)和功能的需要，運(yùn)行過(guò)程中不可避免地會(huì)發(fā)生振動(dòng)[1-2]。近年來(lái)，已投產(chǎn)運(yùn)行的水電站出現(xiàn)廠房振動(dòng)問(wèn)題的實(shí)例逐漸增多。例如，巖灘水電站自投產(chǎn)以來(lái)機(jī)組在設(shè)計(jì)水頭以上較高水頭段運(yùn)行時(shí)，機(jī)組和主機(jī)間廠房出現(xiàn)強(qiáng)烈振動(dòng)，沉悶的共鳴聲干擾了運(yùn)行人員的正常工作，機(jī)旁表盤柜由于振動(dòng)曾發(fā)生保護(hù)回路壓板松動(dòng)掉落而引起誤動(dòng)作，導(dǎo)致機(jī)組停機(jī)的事故[3-4]；紅石水電站投產(chǎn)以來(lái)機(jī)組振動(dòng)大，尤其是在空載無(wú)勵(lì)磁、空載有勵(lì)磁以及負(fù)荷3.8萬(wàn)kW以下區(qū)域振動(dòng)相當(dāng)嚴(yán)重，主要表現(xiàn)為大軸擺度過(guò)大、噪聲大，機(jī)組段之間橫縫逐年增大，廠房四周墻柱出現(xiàn)周邊裂縫[5]；張河灣抽水蓄能電站在運(yùn)行過(guò)程中，廠房結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了強(qiáng)烈的振動(dòng)，同時(shí)伴隨很大的噪聲，無(wú)論對(duì)于廠內(nèi)設(shè)備安全還是運(yùn)行人員健康都構(gòu)成了嚴(yán)重影響[6]。

隨著西南地區(qū)一批巨型電站開(kāi)工建設(shè)，以及我國(guó)水電機(jī)組設(shè)計(jì)制造水平的提高，水輪發(fā)電機(jī)組單機(jī)容量不斷加大，導(dǎo)致廠房結(jié)構(gòu)尺寸增大和結(jié)構(gòu)形式更加復(fù)雜，機(jī)組及廠房結(jié)構(gòu)的剛度相對(duì)減弱，復(fù)雜振源形成的振動(dòng)能量巨大，易誘發(fā)廠房結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。其中，機(jī)墩組合結(jié)構(gòu)是主要的機(jī)組支撐體系，其剛度對(duì)機(jī)組的穩(wěn)定運(yùn)行具有重要的影響作用[7]。機(jī)墩組合結(jié)構(gòu)為承受機(jī)組靜動(dòng)荷載的主體結(jié)構(gòu)，自身結(jié)構(gòu)體系較為復(fù)雜且開(kāi)有孔洞?！端娬緩S房設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB 35011-2016)從保證機(jī)組旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的支承結(jié)構(gòu)有足夠的剛度、軸系統(tǒng)的自振頻率符合共振復(fù)核和剛性轉(zhuǎn)子設(shè)計(jì)要求，以及控制軸系統(tǒng)的擺度不致超標(biāo)的角度，對(duì)圓筒式機(jī)墩的共振復(fù)核和強(qiáng)迫振動(dòng)最大振幅進(jìn)行了規(guī)定[8]。

在技施設(shè)計(jì)初期，由于缺乏詳細(xì)和準(zhǔn)確的機(jī)組資料，設(shè)計(jì)人員一般根據(jù)機(jī)組規(guī)模和特點(diǎn)參照類似工程擬定廠房布置和機(jī)墩厚度，后期根據(jù)廠家資料采用規(guī)范方法或有限元方法對(duì)機(jī)墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算。由于擔(dān)心機(jī)墩剛度的減弱造成廠房振動(dòng)過(guò)大，針對(duì)機(jī)墩厚度和開(kāi)孔問(wèn)題，土建和機(jī)電專業(yè)矛盾較為突出，前者希望機(jī)墩厚度更大、開(kāi)孔盡量少以確保機(jī)墩結(jié)構(gòu)具有足夠的支撐剛度，后者則希望采用較小的機(jī)墩厚度和預(yù)留較多孔洞以便有更多空間布置機(jī)電設(shè)備，以保證檢修方便。

為探討機(jī)墩厚度和開(kāi)孔尺寸對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響，本文選擇某大型水電站2號(hào)機(jī)組段為例，以機(jī)墩厚度和主要廊道開(kāi)孔尺寸為變量擬定不同機(jī)墩結(jié)構(gòu)，進(jìn)行廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析。

1 計(jì)算模型及方案

1.1 工程概況

某大型水電站位于甘孜州瀘定縣境內(nèi)，為大渡河干流規(guī)劃調(diào)整推薦22級(jí)方案的第12個(gè)梯級(jí)電站。水電站總裝機(jī)容量920 MW，單機(jī)容量230 MW，共4臺(tái)機(jī)組，發(fā)電廠房為岸邊式地面廠房。

1.2 數(shù)值計(jì)算模型

選取2號(hào)機(jī)組段進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算。2號(hào)機(jī)組段沿廠房縱軸線方向總長(zhǎng)為29.78 m，沿廠房上下游方向?qū)挾葹?7.70 m，高度從1 275.15 m高程(尾水管底板高程)到1 335.40 m高程(排架頂高程)，共計(jì)60.25 m。

數(shù)值計(jì)算模型(見(jiàn)圖1)按照實(shí)際尺寸建立廠房整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。考慮基巖作用，上下游側(cè)和底部基巖均為60 m，大致為廠房高度(發(fā)電機(jī)層樓板高程至建基面高程)的1.5倍。

圖1 計(jì)算模型示意

計(jì)算模型采用笛卡爾直角坐標(biāo)系，其X軸為水平方向，沿廠房縱軸指向左端為正(面向下游)；Y軸為鉛垂方向，向上為正；Z軸為水平方向，指向下游為正。坐標(biāo)系原點(diǎn)取在水輪機(jī)安裝高程(1 299.15 m)與機(jī)組軸線相交處?；鶐r底部和上下游側(cè)邊界條件采用黏彈性人工邊界處理，基巖側(cè)面法向約束。

鋼蝸殼、座環(huán)、尾水管內(nèi)襯、機(jī)井內(nèi)襯采用四結(jié)點(diǎn)板/殼單元，個(gè)別過(guò)渡區(qū)域采用三結(jié)點(diǎn)板/殼單元；混凝土、基巖均采用八結(jié)點(diǎn)六面體單元，個(gè)別區(qū)域采用四面體單元過(guò)渡。

1.3 材料特征參數(shù)及荷載

1.3.1 材料特征參數(shù)

混凝土材料參數(shù)及鋼蝸殼、座環(huán)、尾水管及墊層材料參數(shù)分別見(jiàn)表1～2。

表1 混凝土材料參數(shù)

表2 鋼蝸殼、座環(huán)及尾水管材料參數(shù)

1.3.2 荷 載

由于本文主要目的是探討機(jī)墩厚度和開(kāi)孔尺寸對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響，因此不同方案均采用正常運(yùn)行工況下機(jī)組振動(dòng)荷載，采用諧響應(yīng)方法施加荷載。上機(jī)架基礎(chǔ)、定子基礎(chǔ)、制動(dòng)器基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)荷載見(jiàn)圖2和表3。

圖2 機(jī)組基礎(chǔ)荷載示意

表3 額定運(yùn)行工況下單個(gè)上機(jī)架、定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)荷載

1.4 計(jì)算方案

根據(jù)原設(shè)計(jì)方案，2號(hào)機(jī)組段機(jī)墩處設(shè)有機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道(見(jiàn)圖3)，尺寸分別為2.0 m×1.8 m(寬×高)和1.2 m×1.5 m(寬×高)，機(jī)墩外徑為19.0 m。為了研究機(jī)墩厚度和開(kāi)孔率對(duì)廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性的影響，擬定了如下幾種方案。

方案1：機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸分別為2.0 m×1.8 m(寬×高)和1.2 m×1.5 m(寬×高)，機(jī)墩外徑為19.0 m；

方案2：機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸分別為2.5 m×2.0 m(寬×高)和2.0 m×1.8 m(寬×高)，機(jī)墩外徑為19.0 m；

方案3：保持機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸分別為2.0 m×1.8 m(寬×高)和1.2 m×1.5 m(寬×高)不變，但將機(jī)墩外徑增加到20.6 m；

方案4：保持機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸分別為2.0 m×1.8 m(寬×高)和1.2 m×1.5 m(寬×高)不變，但將機(jī)墩外徑減小到17 m。

2 計(jì)算結(jié)果分析

2.1自振特性分析

2.1.1 廠房整體結(jié)構(gòu)自振特性

表4為廠房結(jié)構(gòu)在各方案下前20階自振頻率，從表4可以得出：

表4 4種方案廠房前50階自振頻率 單位：Hz

(1)方案1分別與方案3和方案4計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示：機(jī)墩外徑增加到20.6 m后，廠房整體結(jié)構(gòu)自振頻率大部分稍有增加，但增幅極小，不超過(guò)1%；機(jī)墩外徑減小到17 m后，廠房整體結(jié)構(gòu)自振頻率大部分稍有減小，但減幅極小，不超過(guò)1%。由此可見(jiàn)，機(jī)墩厚度變化對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)的自振頻率有一定影響，但影響很小。

(2)方案1和方案2計(jì)算結(jié)果對(duì)比顯示：機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸增大后，廠房整體結(jié)構(gòu)自振頻率幾乎沒(méi)有變化，即機(jī)墩開(kāi)孔率對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)的自振頻率影響不大。

(a)機(jī)墩平面布置 (b)A-A剖面

2.1.2 樓板結(jié)構(gòu)自振特性

樓板作為廠房結(jié)構(gòu)的薄弱部位且邊界支撐為機(jī)墩結(jié)構(gòu)，因此對(duì)發(fā)電機(jī)層樓板自振頻率和振型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)并對(duì)比分析。發(fā)電機(jī)層樓板前20階自振頻率統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表5。為描述發(fā)電機(jī)層樓板振型，將樓板分為4個(gè)區(qū)域(見(jiàn)圖4)，4種方案樓板的前10階振型見(jiàn)表6。

圖4 發(fā)電機(jī)層樓板分區(qū)示意

表5 4種方案發(fā)電機(jī)層樓板結(jié)構(gòu)前20階自振頻率 單位：Hz

表6 4種方案樓板前10階振型

(1)從表5可以看出，與方案1相比，方案2的自振頻率均有所減小，但減小幅度極小，最大僅為-0.16%，可忽略不計(jì)。這說(shuō)明增大機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸不會(huì)對(duì)樓板自振頻率產(chǎn)生影響。同樣與方案1對(duì)比，方案3自振頻率稍有增加，最大增幅2.66%，方案4則稍有減小，最大減幅為-4.2%，這說(shuō)明機(jī)墩外徑的變化對(duì)樓板自振頻率有一定影響，但影響不是很大。

(2)從表6可以看出：4種方案的發(fā)電機(jī)層樓板振型基本一致，差別不大，說(shuō)明不同機(jī)墩開(kāi)孔率(機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸、機(jī)墩外徑)對(duì)樓板的振型影響程度不大。

2.2 諧響應(yīng)分析

機(jī)墩作為機(jī)組支撐結(jié)構(gòu)，承擔(dān)了主要的基礎(chǔ)荷載；樓板作為薄弱結(jié)構(gòu)，是機(jī)電設(shè)備和人員活動(dòng)的主要場(chǎng)所，因此機(jī)墩結(jié)構(gòu)和樓板的振動(dòng)響應(yīng)是設(shè)計(jì)者關(guān)心的重點(diǎn)。下文對(duì)各方案機(jī)墩結(jié)構(gòu)和樓板的振幅進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，研究機(jī)墩厚度和開(kāi)孔尺寸對(duì)機(jī)墩和樓板振幅的影響。

2.2.1 發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)振幅性

表7列出了發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)各向振幅的最大值。從表7中可以看出，相比于方案1，方案2發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)各部位各向振幅變化幅度較小，均小于3.1%。這說(shuō)明增大孔洞尺寸對(duì)發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)振幅影響不大。從方案3和方案4的結(jié)果來(lái)看，增加或減小機(jī)墩外徑對(duì)上機(jī)架基礎(chǔ)、定子基礎(chǔ)和下機(jī)架基礎(chǔ)均有較大的影響。增加機(jī)墩外徑能在一定程度上減小發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的振幅，最大減幅可達(dá)-11.43% ；機(jī)墩外徑減小后，發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的振幅明顯提高，特別是上機(jī)架基礎(chǔ)和定子基礎(chǔ)的振幅，其中，Y向振幅最大增加了19.85%，Z向振幅最大增加了17.67%。

表7 4種方案發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)振幅 單位：μm

2.2.2 發(fā)電機(jī)層樓板豎向振幅

表8列出了發(fā)電機(jī)層樓板特征點(diǎn)的豎向振幅。從表8可以看出，方案2機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸增大后對(duì)發(fā)電機(jī)層樓板豎向振幅沒(méi)有影響；方案3增大機(jī)墩外徑后，4個(gè)特征點(diǎn)的豎向振幅均有所減小，幅度約在-4.6%～-6.5%；方案4減小機(jī)墩外徑后，4個(gè)特征點(diǎn)的豎向振幅均有所增加，增幅最大達(dá)到了15.58%。由此說(shuō)明，本工程正常運(yùn)行工況時(shí)，在機(jī)組振動(dòng)荷載作用下，機(jī)墩外徑的增大可以減小發(fā)電機(jī)層樓板振幅，反之會(huì)增大樓板振幅。

表8 4種方案樓板特征點(diǎn)豎向振幅 單位：μm

3 結(jié) 論

(1)本文通過(guò)對(duì)機(jī)墩厚度和開(kāi)孔率對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)特征的影響分析研究，得出機(jī)墩厚度對(duì)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響：①機(jī)墩厚度的變化對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)和樓板的自振頻率影響很小。②在正常運(yùn)行工況機(jī)組動(dòng)荷載作用下，機(jī)墩厚度變化對(duì)發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)振幅和發(fā)電機(jī)層樓板豎向振幅有較大影響。

機(jī)墩厚度增大可減少發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的振幅，最大減幅可達(dá)到-11.43% ；機(jī)墩厚度減小，則發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)振幅明顯提高，Y向振幅最大增加了19.85%。機(jī)墩厚度的增大會(huì)減小樓板豎向振幅，反之則會(huì)增加豎向振幅，且最大增幅超過(guò)了10%，達(dá)到了15.58%。③機(jī)墩是機(jī)組的重要支承結(jié)構(gòu)，也是廠房的核心受力構(gòu)件，其厚度的增大可以提高廠房的整體剛度和機(jī)墩自身剛度，減小發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)和發(fā)電機(jī)層樓板振動(dòng)幅值，因此可通過(guò)優(yōu)化機(jī)墩的厚度改善廠房抗振性能。

(2)機(jī)墩開(kāi)孔率對(duì)廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的影響：①機(jī)墩開(kāi)孔率對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)和樓板的自振頻率影響很小，絕大部分振型的頻率增幅不超過(guò)1.5%，對(duì)樓板的自振頻率和振型幾乎沒(méi)有影響。②在正常運(yùn)行工況機(jī)組動(dòng)荷載作用下，機(jī)坑進(jìn)人孔和下機(jī)架基礎(chǔ)進(jìn)人通道尺寸的增大對(duì)發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)以及樓板豎向振幅影響不大，增幅均小于3%。③本文所選計(jì)算對(duì)象機(jī)墩開(kāi)孔率為3.5%，研究結(jié)果表明，機(jī)墩開(kāi)孔大小對(duì)廠房結(jié)構(gòu)自振特性和諧響應(yīng)均影響很小。主要原因是水電站廠房機(jī)墩開(kāi)孔率較低，一般為2%～7.5%，因此，滿足機(jī)組正常使用需求的開(kāi)孔不會(huì)造成機(jī)組振動(dòng)過(guò)大。但機(jī)墩作為發(fā)電廠房的重要支撐結(jié)構(gòu)，為了保持機(jī)墩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的整體剛度，應(yīng)避免過(guò)密、過(guò)大及在基礎(chǔ)板等關(guān)鍵受力部位開(kāi)孔。