汽輪發電機組框架式基礎計算分析

高 等 利

(京鼎工程建設有限公司，北京 100011)

1 概述

汽輪發電機組系統主要包括汽輪機、發電機、基礎和地基等部分。其基礎設計主要是研究機器動荷載作用下基礎的反應和振動波的能量在土中的傳播。采用的基礎形式主要有大塊式基礎和框架式基礎兩種。其中框架式基礎的結構形式和力學特性相對比較復雜，施工周期也比較長，但是它可以節省建筑材料，并且方便放置管道、凝汽器等其他附屬設備，利于操作和檢修。所以，汽輪發電機組基礎優先選用框架式基礎。

一般情況下，基礎設計需滿足具有良好的動力特性、良好的剛度、足夠的強度穩定性和耐久性、不影響儀器設備的正常使用等的要求，并使成本盡量最低。目前汽輪發電機組基礎的設計方法有很多，但總的來說有振幅法和共振法兩種。振幅法就是將基礎的振幅控制在一定的范圍之內，以免基礎發生過大的振動位移；共振法就是控制基礎的自振頻率遠離機器的擾力頻率，以避免發生共振。這兩種方法都有優點和缺點，振幅法需要確定機器的擾力、基礎的阻尼和允許振幅的標準等問題，比較復雜；而共振法只要把頻率計算準確即可，比較簡單。這兩種方法表面上看雖然有較大的差別，但實質上都是以基礎的振幅越小越好為出發點?，F行GB 50040—96動力機器基礎設計規范采用振幅法，有一定的局限性，因此本案例兩種方法同時控制，既控制振幅在一定的范圍內，又控制頻率在一定的范圍內。

2 框架式基礎的布置

根據相關規范和大量的工程經驗，汽輪發電機組框架式基礎可按如下原則布置：

1)基礎應與四周脫開獨立布置，并留適當的變形縫。

2)基礎應盡可能對稱，為避免和減少扭矩，荷載應盡量布置在構件的中心線上。

3)汽輪發電機組框架式基礎一般分為頂板、柱子和基礎底板三部分，為了確保機器的正常運轉，可按下述原則確定各部分的布置：a.底板應有足夠的剛度，可以調整地基的不均勻沉降，并且能很好的嵌固柱子，所以底板厚度不宜小于柱截面高度，也不宜小于基礎頂板厚度，可取底板長度的1/10～1/15。b.柱的剛度宜小，但必須滿足強度和穩定性的要求，并且其長細比不宜大于14，其截面尺寸不宜小于柱凈高度的1/10～1/12。c.頂板應有足夠的質量和剛度，其外形和受力應簡單，并且避免偏心荷載，頂板厚度不宜小于其凈跨度的1/4～1/5，且不得小于800 mm。

3 某工程中汽輪發電機組框架式基礎的設計

3.1 工程概況

表1 荷載表 kN

設計資料如下：基本風壓：ω0=0.70 kN/m；基本雪壓：S0=0.30 kN/m；抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度為7度，設計基本地震加速度值為0.10g，設計地震分組為第一組，場地類別Ⅳ類。安全等級為二級，設計基準期50年。發電機的功率為51.51 MW，轉速為3 000 r/min。

此汽輪發電機組由凝汽器、汽輪機和發電機三部分組成，其中凝汽器沒有振動荷載直接放在地面上，凝汽器基礎和汽輪機、發電機基礎脫開。根據汽輪機、發電機基礎底座的荷載分布特征、動力作用特點及機器底座外形，采用框架式基礎。

3.2 荷載表及荷載分布

本工程中汽輪發電機組的荷載表和荷載分布圖見表1，圖1。

3.3 動力分析

1)分析模型。

選擇合適的模型能夠更好的接近工程的實際狀況，正確的分析各個構件受力情況，從而保證設計結果的準確性。對計算模型采取以下基本假定：

a.縱橫梁和柱子在連接節點處正交于一點；

b.機器的質量作為附加質量，施加在幾個節點上；

c.柱腳固定在基礎底板上。

根據GB 50040—96動力機器基礎設計規范，當框架式基礎按空間多自由度體系進行振動計算時，對于轉速不小于3 000 r/min的機器基礎，地基可按剛性考慮，此時框架式基礎底板本身對框架式基礎的動力響應影響不大。并且，底板的主要作用是增加框架式基礎的接觸面積，防止框架式基礎沉降和增加系統穩定性，而對框架式基礎本身的動力特性影響不大。因此，為便于計算除去基礎底板，不考慮底板對基礎的影響，柱底按剛接考慮。

整體模型如圖2所示，操作平臺下的墻采用殼單元，平臺的梁及柱采用梁單元。用質量為零的剛性連桿模擬機器的轉軸，以模擬機器實際重心的位置及不平衡力的位置。

2)用時程函數添加動荷載。

不平衡力為簡諧運動，可模擬為SIN的函數，采用時程分析方法，以此評估基礎系統強迫振動下的位移反應。

3)動力分析結果。

a.自然頻率：

發電機轉速r=3 000 r/min，發電機頻率H=3 000/60=50 Hz。為了避免發生共振，結構的自然頻率必須符合以下兩個要求：

第一服務頻率(基本自然頻率)f1>1.25fm，或f1≤0.8fm;

最接近服務頻率fm的自然頻率fn≤0.9fm及fn+1≥1.1fm。

從表2可以看出：

第一服務頻率(基本自然頻率)f1=17.44 Hz≤1.25fm=1.25×50=62.5 Hz。

最接近服務頻率fm的自然頻率f8=42.06 Hz≤0.9fm=0.9×50=45 Hz，f9=56.90 Hz≥1.1fm=1.1×50=55 Hz。

綜上所述，結構的自然頻率已經避開了發電機組的工作頻率。

表2 基礎前20階模態下的頻率

b.節點位移：

表3 基礎動力計算允許振動線位移

我國GB 50040—96動力機器基礎設計規范明確規定對基礎的動力計算采用振動線位移控制的方法(振幅法)，即計算的振動線位移應小于允許振動線位移值，其允許振動線位移見表3。

此發電機組工作轉速為3 000 r/min，從表3可以得出，汽輪發電機組正常運轉時基礎的允許振動線位移為0.02 mm。從圖3和表4可以看出，基礎頂板主要節點位移均不大于0.02 mm，滿足規范要求。

表4 基礎頂板主要節點位移 mm

4 結語

本文結合工程實際，對汽輪發電機組基礎的設計做了基本的介紹。采用STAAD通用計算軟件進行基礎的動力計算，并應用于工程設計，且實踐證明該汽輪發電機組基礎一直運行良好，由此得到以下結論：

1)STAAD軟件建模時，應合理簡化并合理考慮附加質量及擾力的實際分布。

2)基于安全的考慮，可從頻率和振幅兩方面同時控制基礎的動力特性。

3)對于轉速不小于3 000 r/min的旋轉式機組基礎，可不考慮底板對基礎的影響，柱底按剛接處理。