南京河海南自水電自動化有限公司 吳萬飛
水電站廠房主要是由建筑物、機械和電氣設(shè)備組成的復(fù)合體,是一個將水能轉(zhuǎn)化為機械能并最終轉(zhuǎn)化為電能的地方。其主要作用是利用相關(guān)的工程手段,將河流中的水流順利地導(dǎo)入和引出水輪機,同時為廠房中的各類機電設(shè)備的安裝、檢修以及安全運行管理創(chuàng)造一個良好的工作條件,從而確保電力系統(tǒng)的需要,安全、經(jīng)濟和可靠地生產(chǎn)電能。水電站廠房一般由主廠房、副廠房、安裝間等組成。
水電站地下工程主要包括上、下兩個主要部位,上部結(jié)構(gòu)具體包括了屋頂、上下游墻(柱)、吊車梁、及樓板等,其一般為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。水電站廠房地基容易受重力、地震等因素的影響,會出現(xiàn)沉降情況,為保證基礎(chǔ)設(shè)施的安全性,需要判斷其沉降情況,如果發(fā)生的沉降情況較為嚴(yán)重,會給工程建設(shè)帶來很大的風(fēng)險。因此,此次研究將對某水電站廠房在靜力荷載下沉降研究,在深入研究論證的基礎(chǔ)上,對地基強度做出科學(xué)的評價,進(jìn)而為廠房的地基加固處理提供可靠依據(jù)和可行性建議。
有限元法是一種比較新型且非常高效的求解復(fù)雜工程問題的算法,是當(dāng)前在工程技術(shù)領(lǐng)域中使用最廣泛的一種數(shù)值分析方法。其用途由平面彈性力學(xué)問題擴展到三維空間問題,在本質(zhì)上,有限元法就是將一個擁有無窮個自由程度的連續(xù)體系統(tǒng),理想地化為一個只有有限個自由度的元素集合體,轉(zhuǎn)變成一個適用于數(shù)值計算的結(jié)構(gòu)類型問題[1]。
有限元法基本思想主要包含以下幾個方面內(nèi)容:一是假定解決問題的區(qū)域被劃分為數(shù)量有限的單位,單位與單位間只有在給定數(shù)量的特定的點(結(jié)點)上才能連接起來,組成單位集,以代替原有的單位。二是對每個元素,以劃分近似原理為依據(jù),按照一定的規(guī)律將未知量與節(jié)點的交互(力)之間建立聯(lián)系。三是將各元素按照某種規(guī)律組合起來,并在其基礎(chǔ)上,通過引入邊值,構(gòu)造出以未知為結(jié)點的一類數(shù)學(xué)模型,并加以求解。
有限元分析結(jié)構(gòu)問題一般有以下七個過程:一是結(jié)構(gòu)的離散化。在建模過程中,應(yīng)注意以下幾個問題:選取合適的參照框架;依據(jù)精度、周期和成本的需要,對單元的大小和等級進(jìn)行合理的選取;依據(jù)實際情況,選擇需要進(jìn)行的研究對象和工作條件;確定限制和有效的計算載荷;二是選擇位移插值函數(shù)。擬采用多項式法進(jìn)行數(shù)值模擬,并將其應(yīng)用到數(shù)值模擬中。三是單元分析。單元分析的目的是要計算單元的彈性應(yīng)變能和外力虛功。根據(jù)彈性力學(xué)的幾何方程及物理方程確定單元的剛度矩陣。四是整體分析。全局分析就是將全局的位能轉(zhuǎn)化為最小位能原則,將各構(gòu)件按照原有的構(gòu)造進(jìn)行組合,根據(jù)構(gòu)件的剛度矩陣計算出整體的剛度。五是載荷轉(zhuǎn)置。根據(jù)靜力等效法則,將荷載轉(zhuǎn)移至各結(jié)點,構(gòu)成一個荷載矩陣。六是約束處理。通過對剛性位移量的限制,使得該問題的解集是唯一的。七是方程求解。通過對該模型的分析,可以獲得基礎(chǔ)未知數(shù)(結(jié)點位移),并可以對該模型進(jìn)行有限元分析。
上述過程對有限元基本理論進(jìn)行了分析,接下來分析有限元動力分析理論,結(jié)構(gòu)受荷載處于平衡狀態(tài)時,是靜止不動的,當(dāng)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變形時,位移不會隨著時間變化而變化,所以載荷與內(nèi)部的應(yīng)力也不會隨著時間變化而變化。當(dāng)結(jié)構(gòu)沒有受到荷載作用,或者結(jié)構(gòu)繞著平衡點振動時,其響應(yīng)隨時間變化,且每個點都有速度和加速度的特征,這是動態(tài)問題。長期以來,國內(nèi)外許多學(xué)者都十分關(guān)注建筑結(jié)構(gòu)的動態(tài)特性,而忽略了其對人民群眾生命和財產(chǎn)的危害。
因為水電站廠房的構(gòu)造比較復(fù)雜,所以其結(jié)構(gòu)受力狀況跟常規(guī)的工業(yè)廠房相比,存在不同。此外,通過使用結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的方式,難以對水電站廠房的應(yīng)力、位移等進(jìn)行精確的計算和研究。所以,在實際的應(yīng)用中,本文以一個具體的工程案例,使用大規(guī)模的程序ANSYS來對其進(jìn)行有限元計算。設(shè)定的邊界條件如下所示。
一是在單元的兩邊樓板、立柱、邊壁等外部的邊壁上,對其進(jìn)行不加限制的處理,使其可以在任意的條件下發(fā)生變化;每一樓層與廠房中部的梁、柱、側(cè)壁的結(jié)合視為一個完整的結(jié)合(一次澆注);將砼建筑與周邊巖層(特定區(qū)域)視為耦合系統(tǒng)(廠房地基在上游、下游和底層各50m),以圍巖的底層為固定限制條件,在上游和下游以及左右兩側(cè)各設(shè)對稱限制條件。
在網(wǎng)格劃分上,需要保證網(wǎng)格劃分較為均勻,各結(jié)點的自由度也都在可計算的允許值內(nèi)。水電站廠房的建筑布局形式及結(jié)構(gòu)特征主要表現(xiàn)在大型鋼筋砼結(jié)構(gòu),其下層結(jié)構(gòu)主要受巖層的限制,還有樓板、墻體及立柱等結(jié)構(gòu)形式[2]。對于尾水內(nèi)壁、座環(huán)等部分加固,渦殼內(nèi)壁與外層砼間的緩沖體系,在整個水電站廠房的計算過程中都可以不計。
在單元的劃分上,依據(jù)各部分的特點,選擇了塊體單元、板單元和梁單元,以實現(xiàn)對大體積混凝土結(jié)構(gòu)、樓板結(jié)構(gòu)和梁柱結(jié)構(gòu)的仿真。在分析過程中,要考慮到不同的受力特點,適當(dāng)?shù)卣{(diào)整網(wǎng)架的密度,比如,將可能出現(xiàn)的應(yīng)力集中點和重點關(guān)注的部分進(jìn)行加密,從而達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目的,對于在不存在明顯差異的情況下,可以通過增加網(wǎng)格粒徑來減小計算尺度。由于該模型涉及孔包含了橋墩進(jìn)出孔,通道和樓梯孔以及每一樓層的起重孔,所以需要模擬的數(shù)值較多。為此此次研究不考慮小的開孔,并按要求對部分構(gòu)造進(jìn)行簡化[3]。
在三維有限元計算模型中,共采用了四種單元類型:第一,8節(jié)點塊體單元,主要利用其模擬廠房下部以及邊墻等混凝土結(jié)構(gòu);第二,利用板殼單元對屋頂、樓板和風(fēng)罩等進(jìn)行模擬;第三,通過三維梁單元模擬廠房立柱和樓板下方梁格結(jié)構(gòu);第四,主要通過質(zhì)量單元模擬結(jié)構(gòu)中其他結(jié)構(gòu)以及水體等的附加質(zhì)量作用。
在動力學(xué)問題中,如果結(jié)構(gòu)受到了動荷載作用,可以根據(jù)有限元的方式,將動荷載分布到各個節(jié)點上,從而得出荷載列陣,以元素節(jié)點的位移插值來表達(dá)元素的內(nèi)部位移,其計算方程具體如下。
公式(1)中,{o}代表單元節(jié)點位移值,[M]代表載荷列陣。
基于上述計算,對后續(xù)求解結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)問題提供參考。
在考慮了建筑材料的固有頻率后,對建筑材料進(jìn)行動態(tài)響應(yīng)分析,計算廠房結(jié)構(gòu)自振特性時忽略阻尼,計算公式如下所示。
公式(2)中,Q為結(jié)構(gòu)低階振型參數(shù),W代表阻尼值,[M]為動力響應(yīng)參數(shù)。
在實際振動分析中,一般只需要采取低頻5~20個振型進(jìn)行計算就能夠滿足精度需求,在上述計算支持下,對模型前20階固有振動頻率計算,其相應(yīng)頻率和對應(yīng)振型見表1。
表1 水電站廠房結(jié)構(gòu)固有頻率及振型表
從表1可知在所列的前20個階模態(tài)中,只有18個階模態(tài)在主廠房的整個結(jié)構(gòu)中有顯著的變化,其他階模態(tài)的變化都是在發(fā)電機層之上的梁-柱結(jié)合結(jié)構(gòu);在此模型中,與梁柱結(jié)構(gòu)相比,主體廠房與安裝間的各層樓面的振動變形很小,而主體廠房與主體廠房之間的前2階振型則是沿河道方向的振動,這說明主體廠房與主體廠房之間的沿河道方向的剛度比較薄弱[4]。
在廠房動力設(shè)計中,需要對諧振現(xiàn)象進(jìn)行有效的預(yù)測并防止諧振現(xiàn)象的出現(xiàn)。由于只有少數(shù)幾個振源占主導(dǎo),或部分模態(tài)占主導(dǎo)地位,因此對最有可能出現(xiàn)的振動源及主振動頻率進(jìn)行了復(fù)查。根據(jù)《水電站廠房設(shè)計規(guī)范SL266-2001》,機墩固有振動與擾動振動源的頻率偏差幅度在20%~30%,進(jìn)行了振動校核。
分析表明,在遠(yuǎn)離機組振源的情況下,主、輔兩層框架的總體和橫向扭振是最有可能產(chǎn)生諧振的模式。低頻渦帶、2倍轉(zhuǎn)速頻率、甩負(fù)載和飛逸頻率的概率都比較低,對于機組振源會不會必然會導(dǎo)致主副廠房框架結(jié)構(gòu)的共振,因為在水電站廠房設(shè)計規(guī)范等有關(guān)規(guī)范中,對于廠房上部框架結(jié)構(gòu)的共振復(fù)核等問題,并沒有做出具體的規(guī)定,所以僅僅通過對其自振頻率的計算,并不能得到確切的共振結(jié)論,還需與機組動態(tài)載荷下的動態(tài)響應(yīng)幅相聯(lián)系,作出進(jìn)一步的評估。
在獲得固有頻率以及共振復(fù)核的基礎(chǔ)上,分析靜力荷載下沉降情況,靜力計算中模型施加荷載主要為廠房混凝土結(jié)構(gòu)重力,混凝土相關(guān)參數(shù)見表2。
表2 混凝土相關(guān)參數(shù)
在靜力荷載計算上,主要通過擬靜力計算法計算,通過反應(yīng)譜理論將建筑物地震力作用等效為靜力荷載的方法,求解結(jié)構(gòu)進(jìn)行內(nèi)力和響應(yīng),以驗算結(jié)構(gòu)的抗震安全性,擬靜力法相對于靜力法考慮了結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)特性。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》DL5073-2000規(guī)定,對于地震烈度小于八度的水工建筑物,或小型的水工建筑物按照擬靜力法來分析其地震作用下的安全性。
計算后,主要考慮主廠房上部排架頂部和牛腿頂面的位移情況,排架柱頂上游側(cè)位移最大值-0.124mm,最小值0.104mm,下游側(cè)位移最大值-0.197mm,最小值-0.127mm;牛腿頂面上游側(cè)位移最大值0.112mm,最小值-0.112mm,牛腿頂面下游側(cè)位移最大值-0.072mm,最小值-0.113mm。其中,負(fù)值代表向內(nèi)縮短,向外伸長為正值,根據(jù)計算結(jié)果可以看出,正常運行工況下牛腿面的位移均是滿足控制標(biāo)準(zhǔn)的。
綜上所述,采用工程分析軟件ANSYS對水電站廠房地基承載力進(jìn)行了分析,并得到以下結(jié)論,在靜力荷載工況下,廠房的混凝土底板只是在沿河方向上存在著較大的拉應(yīng)力,但是這一應(yīng)力的分布范圍和深度都比較小,是一種局部的應(yīng)力,在實踐中,可對其進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐浣?,使其達(dá)到設(shè)計的要求。對廠房底部,在靜態(tài)條件下,廠房的橫向推力很小,且其抗滑移穩(wěn)定性的安全系數(shù)均遠(yuǎn)高于規(guī)范的規(guī)定,因此在靜態(tài)條件下,整個廠房的抗滑移穩(wěn)定性均能達(dá)到設(shè)計要求。
電站廠房是一種復(fù)雜的、受力形式多樣的建筑,現(xiàn)有的研究大多局限于受力、變形等方面,而未將混凝土的非線性、裂縫等因素考慮在內(nèi)。同時,廠房結(jié)構(gòu)的振動特征較為復(fù)雜,其中包括了多種不同的機組振源,同時也存在著各種不確定的邊界條件及動荷載的作用,因此在水電站廠房的靜動態(tài)問題上,仍有許多可以進(jìn)行深入的研究和討論。