Abaqus簡諧荷載作用下的電機(jī)基礎(chǔ)對廠房結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)作用研究

歐慧琳

(廣東省水利電力勘測設(shè)計研究院有限公司，廣東 廣州 510000)

建筑結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計是滿足其安全性和功能性要求的前提，泵站廠房的振動一直是廠房結(jié)構(gòu)不可回避的問題[1- 3]，并通過各種途徑傳遞到泵支撐體系-廠房結(jié)構(gòu)，因此廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計對泵站的安全運行極其重要。水泵站的振源一般包含機(jī)械振源、水力振源、電磁振源三大類[4]，泵運行過程中，上述振源通過泵支撐結(jié)構(gòu)、各種與振源密接的混凝土支承結(jié)構(gòu)傳遞到廠房結(jié)構(gòu)，引起廠房結(jié)構(gòu)振動，并對泵本體耦合振動，影響機(jī)組安全運行。隨著輸水系統(tǒng)的規(guī)模增加，泵房結(jié)構(gòu)的振動能量增加，泵房結(jié)構(gòu)的振動問題更加突出，振動對泵房結(jié)構(gòu)、泵設(shè)備運行的安全性、工作人員的舒適性與身心健康均產(chǎn)生不利影響。

作為目前國內(nèi)較大輸水能量的高新沙泵站，也會存在類似的振動問題。因此利用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行泵站廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與研究非常必要。本文基于Abaqus有限元對高新沙泵站廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行動力特性和動力響應(yīng)分析[5- 6]，評估初設(shè)階段泵站廠房結(jié)構(gòu)型式設(shè)計和抗震設(shè)計的合理性，通過結(jié)構(gòu)不利荷載的敏感性分析，為現(xiàn)有廠房結(jié)構(gòu)在動力設(shè)計、配筋、結(jié)構(gòu)型式等方面的優(yōu)化提供參考。

1 工程概況

高新沙泵站位于廣州市南沙區(qū)高新沙，泵站緊靠高新沙水庫東側(cè)、高沙河右岸布置，現(xiàn)狀地面高程0.6～1.5m，地勢較為平坦。工程任務(wù)是從高新沙水庫內(nèi)取水，經(jīng)泵站加壓提升后，由壓力管道輸送至沙溪高位水池，泵站的主要建筑物級別為1級，泵站設(shè)計運行水位為4.20m，最高運行水位為4.30m，最低運行水位為1.60m。高新沙泵站為塊基型半地下式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，泵站廠房內(nèi)裝6臺(4用2備)立式單級單吸蝸殼離心泵，總裝機(jī)容量為6×12MW，總設(shè)計抽水流量60m3/s，單機(jī)設(shè)計抽水流量15m3/s。泵站樞紐順?biāo)飨蛞来尾贾脭r砂坎、進(jìn)水前池、進(jìn)水閘、漸變段、引水涵管、量水間、引水管、主泵房、出水壓力箱、出水管等。

工程主泵房分為6層，由下至上分別為流道層、蝸殼層、檢修巡視層、中間層、電動機(jī)層、安裝層。

①流道層：高程-20.4m，布置上游引水鋼管伸縮節(jié)及工作閥門；左側(cè)端頭布置滲漏集水井，滲漏集水井主要負(fù)責(zé)泵房滲漏水的收集，分區(qū)工作，分別由排水泵抽出廠外。

②蝸殼層：上游側(cè)高程-15.4m，下游側(cè)高程-16.20m，布置機(jī)組蝸殼設(shè)備、工作閥門等，蝸殼大體積混凝土兩側(cè)及各機(jī)組段之間設(shè)置上、下游連接通道；此外，蝸殼層在主機(jī)間下游側(cè)設(shè)置混凝土連續(xù)墻，作為出水管及廠房吊車梁立柱的支撐結(jié)構(gòu)，3#、4#機(jī)組之間布置一條管徑1200mm充水鋼管；

③檢修巡視層：高程-10.40m，可以通往副廠房下游側(cè)；

④中間層：高程-5.90m，在主機(jī)間下游側(cè)設(shè)置爬梯，可以通往副廠房內(nèi)吊車的駕駛室；

⑤電動機(jī)層：高程-1.4m，布置機(jī)組調(diào)速器、油壓裝置、機(jī)旁盤等設(shè)備；

⑥安裝層：高程4.65m，與安裝間高程同高，沿泵房上下游及左側(cè)布置寬為1.5m的巡視通道。

2 廠房結(jié)構(gòu)Abaqus有限元模型

2.1 有限元模型建立

為了按中間機(jī)組段(3#、4#機(jī))建立廠房有限元模型，縱向長度23.98m，橫向方向包括主機(jī)間廠房(跨度25.5m)和副廠房(跨度16.8m)。動力模型從廠房底板(高程-23.4m)到主機(jī)間屋頂(高程21.9m)。模型包括機(jī)組段的全體結(jié)構(gòu)：包括泵站水下墻、機(jī)組進(jìn)水管、蝸殼外包混凝土、機(jī)墩、風(fēng)罩以及各層梁板柱結(jié)構(gòu)和墻體等，所有混凝土結(jié)構(gòu)及其開孔尺寸較大孔洞均根據(jù)實際體型尺寸開展模擬，其中包括風(fēng)罩進(jìn)人孔、主引出線孔、中性點引出線孔、機(jī)墩進(jìn)人孔、錐管進(jìn)人孔、蝸殼層交通廊道以及各層樓板的大尺寸吊物孔等結(jié)構(gòu)開孔。模型建立廠房直角坐標(biāo)系，其中，xy軸位于水平面內(nèi)，x軸沿廠房橫向，y軸沿廠房縱向，z軸向上。動力計算廠房有限元模型如圖1所示。

圖1 動力計算廠房有限元模型(含周圍土體)

在三維有限元計算模型中[7- 8]，共采用了4類單元：采用塊體單元模擬墻體、樓板、風(fēng)罩、機(jī)墩、樁基等大體積混凝土結(jié)構(gòu)及周圍土體；采用板殼單元模擬鋼襯；采用表面單元模擬動力計算時施加在混凝土結(jié)構(gòu)上的附加質(zhì)量；采用集中質(zhì)量單元加在電機(jī)基礎(chǔ)板所在的混凝土節(jié)點上。

2.2 模型檢驗校正

動力計算有限元模型單元總數(shù)為110040，結(jié)點總數(shù)為358485，未知數(shù)個數(shù)為1102815個。本項目由于廠房結(jié)構(gòu)體型非常復(fù)雜，用有限元模擬廠房還是有很大的難度的。在Abaqus的verify mesh工具進(jìn)行動力有限元模型網(wǎng)格檢查時發(fā)現(xiàn)，在總計110024個單元中，單元形態(tài)不好的警告單元占比僅為3.9%(4287個)，表明該動力有限元模型是比較可靠的。上述警告單元是發(fā)生在柱與大體積混凝土連接處(柱與進(jìn)水側(cè)邊墻、柱與壓力箱)、中間柱與底部隔墻連接處、副廠房牛腿、壓力箱孔周邊、風(fēng)罩開孔處、機(jī)墩開孔處、底板以及進(jìn)水管與蝸殼鋼襯單元，屬于結(jié)構(gòu)相對薄弱位置，亦是較合理的。

2.3 模型材料參數(shù)

廠房混凝土強(qiáng)度等級為C30，鉆孔灌注樁混凝土強(qiáng)度等級為C35。進(jìn)水管、蝸殼、壓力箱為鋼結(jié)構(gòu)。進(jìn)水管壁厚18mm。蝸殼鋼襯厚度20mm。壓力箱進(jìn)水管壁厚為18mm，壓力箱壁厚為28mm，壓力箱出水管壁厚為32mm。混凝土、鋼材、土體的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系都按線性彈性考慮，力學(xué)參數(shù)見表1。

3 廠房結(jié)構(gòu)振動動力特性計算

3.1 結(jié)構(gòu)自由振動計算原理

采用Lanczos方法[9]求解結(jié)構(gòu)自由振動方程，得到結(jié)構(gòu)自由振動頻率與主振型。結(jié)構(gòu)自由振動方程為：

表1 材料基本力學(xué)參數(shù)表

[K]{u}=ω2[M]{u}

(1)

式中，[K]—結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；[M]—結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；{u}—結(jié)構(gòu)上各節(jié)點自由度方向位移向量；ω—結(jié)構(gòu)自由振動圓頻率。

剛度矩陣由有限元程序計算，混凝土動彈性模量按1.3倍的靜彈性模量計算。

在計算結(jié)構(gòu)質(zhì)量矩陣時，考慮廠房結(jié)構(gòu)的質(zhì)量、設(shè)備的質(zhì)量與樓面活荷載質(zhì)量。質(zhì)量按標(biāo)準(zhǔn)質(zhì)量計算，不考慮荷載分項系數(shù)。廠房結(jié)構(gòu)的剛度與質(zhì)量都要計算，廠房周圍土體只參與剛度計算，不參與質(zhì)量計算。

(1)混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量，由有限元程序按一致質(zhì)量矩陣計算。

(2)電機(jī)質(zhì)量，按集中質(zhì)量單元加在定子基礎(chǔ)板與下機(jī)架基礎(chǔ)上計算。

(3)座環(huán)質(zhì)量與樓面活荷載對應(yīng)的質(zhì)量，按表面單元將質(zhì)量附加在下方的混凝土單元上計算。

3.2 廠房結(jié)構(gòu)自由振動頻率與主振型

計算廠房結(jié)構(gòu)前247階頻率與主振型，結(jié)構(gòu)頻率從2.2828Hz到53.042Hz。廠房結(jié)構(gòu)前100階自由振動頻率如圖2所示。

圖2 廠房結(jié)構(gòu)自由振動頻率

結(jié)構(gòu)自由振動頻率與階次呈正相關(guān)，階次為1時振動頻率最小為2.2828Hz，階次為100時振動頻率最大為33.598Hz，后續(xù)計算前10階及部分更高階自由振動主振型。

由計算可知，廠房結(jié)構(gòu)從第1階至第50階前面階段，自由振動主振型主要是上部框架的運動，上部框架出現(xiàn)不同程度的振動甚至是結(jié)構(gòu)性破壞，下部的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)穩(wěn)定，說明剛度較大的基礎(chǔ)自穩(wěn)能力較好，從第50階至第247階后面的振型也主要是廠房梁、板、柱的運動，說明較大剛度的基礎(chǔ)在高頻振動中依舊可以發(fā)揮自身的安全性和穩(wěn)定性功能，也證明該廠房在正常使用情況下可保持建筑功能的完整和穩(wěn)定實現(xiàn)。

由圖3可知，廠房結(jié)構(gòu)從第1階至第4階前幾階自由振動頻率都比較低，其中第4階頻率為4.9014Hz，比較接近荷載頻率5Hz。但第4階主振型主要是主機(jī)間上部梁、板、柱的運動，遠(yuǎn)離電機(jī)荷載所在的機(jī)墩部位。而在電機(jī)基礎(chǔ)荷載作用的廠房下部，振型位移并不大。廠房在較低振動頻率時下部基礎(chǔ)自穩(wěn)性較高，上部結(jié)構(gòu)的變形也較小，不可能出現(xiàn)同頻率共振現(xiàn)象，說明廠房在5Hz發(fā)生共振的可能性并不大。

4 簡諧荷載作用下結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析

在廠房結(jié)構(gòu)動力特性計算的基礎(chǔ)上，通過解析現(xiàn)有設(shè)計施工圖泵站廠房結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，評估泵站廠房結(jié)構(gòu)動力設(shè)計的合理性。

4.1 計算荷載及工況

電動機(jī)組運行時所產(chǎn)生的振動荷載主要有以下3種[10]：①垂直動荷載：包括電動機(jī)轉(zhuǎn)子、水泵轉(zhuǎn)輪、軸向水推力等引起的垂直動荷載。②切向動荷載：正常扭矩、兩相短路扭矩與失步扭矩。③徑向動荷載：電動機(jī)運轉(zhuǎn)時，由于磁與機(jī)械不平衡、半數(shù)磁極短路引起。以上荷載均為簡諧荷載，作用于機(jī)墩上機(jī)架基礎(chǔ)、定子基礎(chǔ)及下機(jī)架基礎(chǔ)上，將上述機(jī)組動荷載施加在機(jī)墩結(jié)構(gòu)的對應(yīng)位置上，按穩(wěn)態(tài)動力分析法計算結(jié)構(gòu)的穩(wěn)態(tài)動力響應(yīng)。

電機(jī)簡諧荷載[11]作用下共計算7種工況，各工況下基礎(chǔ)板動力荷載頻率與幅值如圖3—4所示。

圖3 各工況定子基礎(chǔ)板動力荷載幅值

圖4 各工況下機(jī)架基礎(chǔ)板動力荷載幅值

4.2 穩(wěn)態(tài)動力分析結(jié)果分析

4.2.1 簡諧荷載下變形分析

以額定工況為例，對其簡諧荷載下的位移變形幅值進(jìn)行分析，合位移由分量位移合成，合位移假定各個分量位移都達(dá)到幅值后合成，位移表示簡諧位移的幅值，如圖5所示。

圖5 額定工況合位移

廠房合位移較大值主要發(fā)生在主機(jī)間屋面、-2.2m層樓板3#機(jī)與4#機(jī)之間、-2.2m層樓板靠2#機(jī)部位、-6.7m層樓板3#機(jī)與4#機(jī)之間。最大合位移為13.3μm，發(fā)生在-6.7m層樓板3#機(jī)與4#機(jī)之間。對以上7種工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)動力分析，各工況位移幅值計算見表2。

從位移來看，額定工況、飛逸工況、地震工況與制動工況的位移都比較小，其中制動工況最小，其ux、uy、uz和u分別為3.1、1.0、7.0和7.0μm。兩相短路工況、三相短路工況與半數(shù)磁極短路工況大。三相短路工況位移最大，其ux、uy、uz和u分別為112.7、28.3、97.87和117.7μm。從位移方向來看，x、z向位移較大，y向位移較小。說明廠房縱向剛度較大，位移以橫向和豎向為主。

表2 各工況位移幅值 單位：μm

4.2.2 簡諧荷載下應(yīng)力分析

采用振型疊加法[12]對以上7種工況進(jìn)行加速度幅值穩(wěn)態(tài)動力分析，計算結(jié)果見表3。

從加速度來看，額定工況、飛逸工況、地震工況與制動工況的加速度都比較小，其中制動工況最小，與位移工況一致。半數(shù)磁極短路工況要大一些，兩相短路工況與三相短路工況最大。

表3 各工況加速度幅值 單位：mm/s2

4.2.3 簡諧荷載頻率對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響

結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)隨著荷載頻率的大小及范圍發(fā)生不同程度的變化，額定工況、半數(shù)磁極短路工況、制動工況和地震工況荷載頻率為5Hz，飛逸工況荷載頻率為7.5Hz，兩相短路工況和三相短路工況荷載頻率為50Hz，現(xiàn)以額定工況、飛逸工況和三相短路工況3個荷載梯度研究簡諧荷載頻率對結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)的影響。如圖6所示。

圖6 不同頻率簡諧荷載下的結(jié)構(gòu)動態(tài)響應(yīng)

不同頻率的簡諧荷載依次施加于結(jié)構(gòu)，可以看出結(jié)構(gòu)響應(yīng)幅度隨荷載頻率的增加呈正相關(guān)趨勢。

5 結(jié)論

本文以高新沙泵站為研究背景，利用有限元數(shù)值模擬方法進(jìn)行泵站廠房結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計與研究，結(jié)果顯示：廠房結(jié)構(gòu)自由振動主要是上部框架的運動，廠房下部剛度比較大，自穩(wěn)性較高，廠房在5Hz不會發(fā)生共振。采用振型疊加法對7種工況進(jìn)行穩(wěn)態(tài)動力分析，從位移和加速度來看，額定工況、飛逸工況、地震工況與制動工況的位移都比較小，其中制動工況最小。兩相短路工況、三相短路工況與半數(shù)磁極短路工況大。三相短路工況最大。

本文主要進(jìn)行泵站廠房結(jié)構(gòu)動力特性和響應(yīng)分析，重點對于結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)的大小和分布規(guī)律進(jìn)行了計算分析，后續(xù)研究應(yīng)找出現(xiàn)有設(shè)計中的抗震薄弱環(huán)節(jié)或部位，提出廠房結(jié)構(gòu)抗震優(yōu)化建議。