某電站安裝間梁板結構與厚板加肋結構三維靜動力對比分析

葛 瑤

（陜西省水利電力勘測設計研究院，陜西 西安 710001）

1 前言

厚板結構在廠房設計中鮮有用到，廠房設計采用梁、板結構較多。雖然厚板結構在布置上有很多優勢：結構設計相對簡潔，機、電設備的開孔位置及大小調整對樓板布置影響較小，便于施工，對于某些設備布置對空間要求高、而廠房高度尺寸略顯緊張的設備室可以增加其有效空間。但是這種布置方式對廠房整體結構受力有何優勢，需要進一步通過計算分析來確定。本文考慮到廠房跨度較大，純厚板結構的板的厚度過厚，因此將厚板結構優化調整為厚板加肋結構。

2 計算方法

采用大型通用有限元軟件ANSYS 進行分析研究。其中結構靜力分析采用線彈性本構模型，采用整體模型SOLID65 單元進行模擬。單元應力與應變關系的總剛度矩陣表達式為[1-2]：

式中：Nr為加固材料的數目；為加固物的體積率； ［DC］為混凝土的剛度矩陣。

動力分析采用模態分析法，模態分析可以確定結構或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），固有頻率和振型是承受動態何在結構設計中的重要參數。結構用有限單元離散化后的運動方程可表示為[3]：

式中：[M]、[C]、[K]為質量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{F（t）}為動力荷載；{u}為節點位移。

3 工程案例

某電站廠房屬2 級建筑物，主廠房內布置2 臺立式混流式水輪發電機組和2 臺單級立軸混流式水泵水輪機組—發電電動機組，主機間由4 臺機組“一”列式布置，副廠房位于主廠房上游側，安裝間位于主機間一側，在安裝間上游側布置有供水閥室，閥室內布置2 臺DN2000 減壓調流閥，并設一臺32/5 t 橋式起重機，單獨用于閥室內工作（本文計算的是安裝間，工程概況著重對安裝間的布置及尺寸進行描述）。

安裝間是機組安裝和檢修時擺放、組裝和檢修主要部件的場地。安裝間結構見圖1 和圖2。

圖1 厚板加肋結構平面布置圖

圖2 梁板結構平面布置圖

梁板結構與厚板加肋結構的尺寸見表1。結構物理學參數見表2。

表1 計算結構參數

表2 結構物理力學參數

本文旨在研究兩種結構在靜力與動力作用下的結構優勢，故在計算中靜力計算參考《水工建筑物荷載設計規范》（SL 744-2016）中相關要求取樓面活荷載60 kN/m2；動力工況考慮模擬地震力作用，地震烈度為Ⅷ度，場地類別為三類，計算方法為振型分解反應譜法，計算工況見表3。

表3 計算工況與荷載

建立安裝間整體結構的三維有限元仿真計算模型，模型的坐標原點取廠橫0-010.50 與廠縱0+000.00 交點安裝間結構底部處。X 軸為廠縱方向，Y 軸為廠橫方向，Z 軸為鉛直向。計算模型采用solid 65 六面體塊單元。有限元模型見圖3，荷載分布見圖4。

圖3 有限元計算網格模型

圖4 荷載分布圖

4 結果分析

4.1 靜力計算結果分析

梁板結構計算結果見圖5～圖8。

圖5 梁板結構X 向應力云圖

圖6 梁板結構Y 向應力云圖

圖7 梁板結構Z 向應力云圖

圖8 梁板結構總位移云圖

厚板加肋結構計算結果見圖9～圖12。

圖9 厚板加肋結構X向應力云圖

圖10 厚板加肋結構Y向應力云圖

圖11 厚板加肋結構Z 向應力云圖

圖12 厚板加肋結構總體位移云圖

梁板與厚板結構最大應力分布見表4。

應力計算結果表明，兩種結構的受力一致，應力分布基本規律一致，厚板加肋結構整體應力水平較薄板結構減小。總體變形梁板結構2.384 mm，厚板加肋機構1.983 mm，隨著計算中結構剛度的增加，總變形減小。

整理兩種結構的配筋計算，結果見表5。根據體型，計算兩種結構的工程量以及各結構中梁板的配筋面積，見表6。通過表6 可以看出，厚板結構較梁板結構的混凝土量增加4%，受力鋼筋配筋面積減少24%。從投資角度考慮，明顯厚板加肋結構在保證了結構安全可靠的基礎上更優。結構設計一方面要保證結構的安全，也要根據結構的特點采用最合適的結構形式，對于安裝間采用厚板結構，不僅與梁板結構的工程量相當，而且對于設計和施工都更便捷。

表5 配筋計算結果表

表6 投資對比表

4.2 地震工況計算結果分析

梁板結構地震工況計算結果見圖13，厚板加肋結構地震工況計算結果見圖14。

圖13 梁板結構地震工況計算結果

圖14 厚板加肋結構地震工況計算結果

圖15 梁板結構地震工況計算模態圖

圖16 厚板加肋結構地震工況計算模態圖

梁板結構地震工況模態計算結果見圖15，厚板加肋結構地震工況模態計算結果見圖16。

整理兩種結構靜力，動力以及靜動力疊加三種工況的計算結果，厚板加肋結構的應力水平較梁板結構均減小。地震對安裝間下部水機副廠房這樣剛度較大的結構，影響不大，開孔周圍應力水平受地震影響增大，梁應力較之前略微增大，不影響結構。

配筋計算結果見表7。根據動力計算結果整理了前20 階頻率，見表8，對比曲線見圖17。分析可知：兩種模型的振型基本一致，厚板加肋結構的振動頻率大于梁板結構，結構的整體抗振剛度有一定的提高，厚板加肋結構在防止結構發生共振方面優于梁板結構。

表7 配筋計算結果表

圖17 兩種結構頻率對比曲線

表8 兩種結構頻率對比表

5 結論

1）靜力分析結果表明：兩種結構形式的應力分布規律基本一致，梁與板的最大拉應力出現部位基本一致。厚板加肋結構的應力水平較梁板結構應力水平小，配筋面積小于梁板結構。采用厚板加肋結構對結構的安全布置更有利。

2）動力分析結果表明：與靜力分析結果相比較，地震對結構整體的應力影響不大，對樓板局部（孔邊）薄弱部位有一定的影響，厚板加肋結構在開孔部位出現了較大的拉應力，這個部位考慮布置暗梁可以滿足要求。兩種模型的振型基本一致，厚板加肋結構的振動頻率大于梁板結構，結構的整體抗震剛度有一定的提高。

3）因廠房的振源主要來源于機組的振動頻率，與短路、飛逸等工況的振動頻率以及流道內的脈動壓力有關，此次選擇安裝間作為計算模型只對靜力計算與地震作用有一定的代表性，進行主機間的動力計算分析才是解決廠房振動問題的核心任務。

通過對安裝間的梁板結構與厚板加肋結構，兩種結構進行對比分析，得出更優的結構形式，厚板加肋結構更適合電站廠房的設計，一方面提高了廠房的安全性能，另一方面節省了工程成本，方便施工，提高空間利用率，對國內類似工程具有參考和借鑒意義。