水電站廠房結(jié)構(gòu)自振特性分析

鹿寧

中國電建集團西北勘測設(shè)計研究院有限公司 陜西西安 710065

某處以水電站廠房結(jié)構(gòu)尺寸在105．8m×40．2m×94．1m（長×寬×高），其中一共布置了4臺機組，主要運用的是一機一縫的方式來進行布置。水庫正常化蓄水位在1022m，電站裝機容量則在560MW，諸多年來的平均發(fā)電量在25．07億kW·h，相應(yīng)的機組在額定工況之下的轉(zhuǎn)速在60r/min[1]。

1 概述

對于水電站廠房而言，自振特性則是其自身固有且尤為關(guān)鍵的力學(xué)性能，主要涵蓋阻尼比、振型、自振頻率等等，這是衡量其自身剛度合理性的重要指標。作為其自身特點的關(guān)鍵參數(shù)之一，其自身的頻率將直接影響工廠結(jié)構(gòu)的功率，這是水電站電力研究的真正基礎(chǔ)。近年來，許多專家學(xué)者增加了水電站自身頻率分析的實力，取得了重要成果。通過對水電站下各電網(wǎng)支護方式和仿真模式對全廠固有頻率影響的研究分析，研究了該裝置振動負荷的相應(yīng)響應(yīng)。根據(jù)各種研究，電網(wǎng)支持和模擬方法對工廠子結(jié)構(gòu)的振動頻率影響較大，因此有必要根據(jù)正確的尺寸構(gòu)建包括網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的計算模型[2]。潛在流體單元用于模擬水電站流道中的水體，應(yīng)用粘彈性邊界模擬地面效應(yīng)，不考慮水體模型和流體相互作用。據(jù)信其下方植物結(jié)構(gòu)的自振頻率對水體的頻率和動態(tài)具有顯著影響，但只有水庫和尾水的附加質(zhì)量引起非常大的誤差。

2 廠房結(jié)構(gòu)自振特性

如圖1所示，在實現(xiàn)結(jié)的模態(tài)相位的過程中，適當?shù)亟o出了三個模型之后的10階固有頻率的比較。計算結(jié)果表明，邊界條件對固有頻率和振動形狀的影響較大[3]。在一個模型中，除第4和第8局部部分恢復(fù)外，其他階段是地板震動的垂直振動和部分框架的垂直位移；第二和第三模型的振動模式在地板上都是垂直的。與模型2和模型3相比，模型1的10階固有頻率非常小，模型結(jié)構(gòu)的振動周期相對較短，結(jié)構(gòu)剛度較高。三周邊巖石限制模型各階段的自振頻率高于周圍右模型的自振頻率，圍巖的約束是模型的自然振蕩頻率和建筑物結(jié)構(gòu)的周圍環(huán)境。表明它對巖石的局限性影響較大，地板振動也增加。

圖1 不同邊界條件下模型的自振頻率對比

3 自振頻率與各影響因素的關(guān)聯(lián)度分析

3.1 各部分彈模對自振頻率的影響度

水電站廠房混凝土結(jié)構(gòu)總體上通常分兩期施工，一期混凝土重要包含流道底板、引水管、上游胸墻等上游以及上部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，二期混凝土重要包含下游胸墻、蝸殼、發(fā)電機墩、座環(huán)基礎(chǔ)、流道以及發(fā)電機層超過混凝土結(jié)構(gòu)等[4]。

不同標號混凝土的彈性模量有所不同，現(xiàn)設(shè)立下列三組方案，研究一期混凝土、二期混凝土以及地基三者的彈性模量對于水電站廠房自振頻率的影響?其中A組方案之中地基彈模維持絕不變，廠房一、二期混凝土等級標號依次取作為C10、C15、C20、C25、C30、C35 以及 C40，彈模改由 17．5GPa 變動到32．5GPa，而且二者保持一致（依據(jù)全新水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范，混凝土動態(tài)彈性模量可比靜態(tài)提升50%，后文之中混凝土以及地基的彈模值域均為靜態(tài)標準值E0，于模態(tài)測量中取作為1．5E0）；B組方案之中廠房一、二期混凝土標號絕不變（C30），地基彈模依據(jù)通常工程地質(zhì)由7．4GPa變動到11．0GPa；作為分析一期與二期混凝土對于廠房自振頻率的影響程度大小，C組方案之中地基彈模維持不變，廠房一期與二期混凝土依次取有所不同標號?三組研究方案之中一期、二期混凝土容重均取作為25kN/m3，泊松比取為0．167；地基的泊松比取為0．25，絕不考量地基的容重?

3.2 各部分容重對自振頻率的影響度

為分析一期、二期混凝土容重對于水電站廠房自振頻率的影響，依據(jù)實際工程之中的取值范圍，把混凝土容重改由23．0kN/m3變動到26．0kN/m3?其中，D組之中兩期混凝土容重變動相同；E組之中作為導(dǎo)出各部分混凝土容重對于自振頻率的影響度，依據(jù)關(guān)聯(lián)度研究之中早期數(shù)據(jù)的需要，兩期混凝土容重有所不同而且有各自的變化規(guī)律?各方案之中一期、二期混凝土彈性模量取作為28GPa，泊松比取為0．167；地基彈性模量取作為8GPa，泊松比取為0．25。

3.3 彈模和容重影響度綜合分析

上述以此單因子函數(shù)法依次研究了水電站廠房各部分彈性模量與容重和其自振頻率的相關(guān)度。獲得了僅考量彈模與僅考量容重時，各部分對于應(yīng)參數(shù)和廠房自振頻率的普遍規(guī)律和影響程度[5]。不過，廠房自振頻率和這兩個因素均具有比較緊密的聯(lián)系，實際工程之中常常需掌控尤為復(fù)雜的因素，以更為精確地對于其自振頻率加以控制。

總之，通過對地上式水電站廠房結(jié)構(gòu)的自激振動特性和廠內(nèi)止水裝置的研究分析得出以下結(jié)論。（1）在水力發(fā)電廠的固有振動特性中，發(fā)電機地板更難以超越該結(jié)構(gòu)。它可能會導(dǎo)致振動或損壞。（2）在對工廠結(jié)構(gòu)進行靜態(tài)研究時，止水設(shè)置對結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響相對較小，從而使結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力條件相對較差，混凝土也是如此。由于整合的經(jīng)濟和工程意義很小，整個工廠結(jié)構(gòu)需要在各種運行條件下進行調(diào)整。