鄭秀梅，馬震岳

(大連理工大學 建設工程學部 水利工程學院， 遼寧 大連 116024)

水電站地下廠房機墩結構動力特性分析中幾點問題探討

鄭秀梅，馬震岳

(大連理工大學 建設工程學部 水利工程學院， 遼寧 大連 116024)

為了研究《水電站廠房設計規(guī)范》中圓筒式機墩動力計算的簡化算法對機墩動力特性的影響，本文結合某大型水電站地下廠房，從空間特性、模型范圍、荷載加載方式方面探討其對機墩動力特性的影響。計算結果表明：結構空間特性對機墩動力特性的影響很大；局部結構對機墩動力特性有影響，不同圍巖范圍下機墩水平向振幅基本為恒值，垂直振幅有變化，當圍巖范圍取至9倍時，垂直振幅計算結果更準確；徑向動荷載不同加載方式對機墩水平向振幅影響較大。

地下廠房；機墩；動力特性；模型范圍；加載方式

近幾年隨著高轉速、高水頭、雙向運行的水電站數量的增多，廠房振動問題顯得尤為突出[1-3]，機墩作為水電站廠房的支撐機構，其剛度、變形等必須要滿足要求，對機墩結構的研究較多[4-5]，目前存在的問題是機墩動力特性的有限元算法與規(guī)范算法計算結果存在差異[6]。顧鵬飛等[7]通過推導圓筒式機墩的動力計算公式總結出了規(guī)范算法的基本假設，指出規(guī)范算法將機墩簡化為下部固定、上端自由的厚壁圓筒式單自由度體系。文獻[8-10]從模型邊界條件、模型范圍方面研究其對機墩動力特性影響。孫萬泉[11]采用擬靜力法和動力法對徑向荷載在機墩的幾種不同作用方式進行研究，指出采用動力法和二力桿單元模擬機架支臂更符合實際離心力的傳遞方式。馬震岳等[12]通過分析徑向荷載的產生、分配、施加和傳遞機理，考慮導軸承油膜和機架支臂的作用，分析徑向荷載不同加載方式對機墩動力特性的影響。

本文在前人研究的基礎上，結合某水電站地下廠房，從空間特性、模型范圍、荷載加載方式三個方面探討其對機墩動力特性的影響，力求在一定的程度上真實模擬機墩動力特征。對于切向和豎向荷載的作用方式已有較明確的認知[13]，所以本文僅研究徑向荷載加載方式的影響。

1 空間特性

為了分析結構空間特性對機墩動力特性的影響，機墩有限元模型的約束條件、模型范圍等因素保持與規(guī)范算法一致，具體的計算模型如圖1所示。

圖1 機墩結構的有限元模型

1.1 空間特性對機墩自振頻率影響

利用ANSYS軟件中的Block Lanczos特征值法對機墩結構進行了模態(tài)分析，得到機墩三個方向的自振頻率，兩種計算方法的機墩自振頻率列于表1。

表1 兩種算法的機墩自振頻率

由表1可知，結構的空間特性對機墩各方向的自振頻率影響程度較大，影響程度順序為：垂直方向>水平橫向>水平扭轉方向。

1.2 空間特性對機墩結構振幅的影響

本文采用諧響應分析法計算機墩振幅[15]，動荷載頻率取機組額定工況下的轉頻2.08 Hz，結構阻尼系數取0.05，動荷載均勻施加在每個支承點上。兩種計算方法的機墩振幅結果，見表2。

表2 規(guī)范[14]算法與有限元法的機墩振幅 單位：mm

由表2可以看出，通過有限元法計算的機墩結構各方向振幅遠大于規(guī)范法結果。觀察機墩結構的變形云圖發(fā)現，變形后的機墩截面形狀已不再是圓形。

2 計算模型范圍

規(guī)范算法中機墩底部的約束高程與實際情況完全不同，目前對于模型選取范圍沒有統一的規(guī)定，不同的研究者所選取的范圍多有不同。本節(jié)主要分析風罩、發(fā)電機層和水輪機層樓板、邊墻、蝸殼、尾水管及不同方向圍巖范圍結構對機墩動力特性的影響，提出具體的圍巖范圍，為以后選取地下廠房動力計算模型范圍提供參考。

2.1 廠房模型范圍對機墩自振頻率的影響

首先分析風罩、發(fā)電機層和水輪機層樓板、邊墻、蝸殼、尾水管結構對機墩的影響，用彈簧單元來模擬圍巖約束作用，具體的設計方案如下所示。

方案A1：建立機墩單獨的模型，模型底部施加剛性約束；

方案A2：建立機墩及風罩的單獨結構，約束條件與A1方案一致；

方案A3：建立機墩、風罩、樓板的結構模型，約束條件與上述方案一致；

方案A4：建立機墩以上的結構模型，約束條件與上述方案一致；

方案A5：建立蝸殼底板以上的廠房結構模型，模型底部至水輪機層周圍施加彈性約束，底部施加剛性約束；

方案A6：廠房整體結構模型，尾水管底板至水輪機層周圍施加彈性約束，底部施加剛性約束。

6種方案下結構的前50階自振頻率結果見圖2。

從圖2可知，6種方案對應結構的自振頻率相差較大。通過各方案間自振頻率的對比發(fā)現，增加風罩、樓板、蝸殼使得結構各方向自振頻率降低；增加邊墻后結構各方向自振頻率提高，尤其是垂直方向的自振頻率；增加尾水管使得結構水平扭轉、垂直方向自振頻率提高，水平橫向自振頻率降低。說明周圍局部結構對整體結構的剛度影響較大。改變圍巖計算范圍，計算方案見表3，計算結果見圖3。

圖2 六種方案下結構的前50階自振頻率

注：圍巖范圍=(表中數值)×L

圖3 不同圍巖范圍的廠房結構自振頻率

由圖3可知，隨著圍巖范圍的增加，廠房整體結構的自振頻率逐漸減小，說明圍巖范圍的增加，廠房整體剛度降低。同時，觀察廠房結構的振型發(fā)現，不同方案下自振頻率相近的振型基本一致。

2.2 廠房模型范圍對機墩振幅的影響

首先分析風罩、樓板、邊墻、蝸殼、尾水管結構對機墩振幅的影響，提取了機墩典型部位(定子基礎、下機架基礎)的振幅，見圖4、圖5。

由圖4可知，方案A1—方案A4相同部位相同方向下機墩振幅基本上一致，方案A5、方案A6的結果與前四種方案對應結果差異較大。說明風罩、樓板、邊墻結構對機墩典型部位的各方向振幅基本上沒有影響，而蝸殼、尾水管結構對機墩典型部位各方向振幅影響程度很大，不可忽視其影響。

圖4 不同方案下機墩結構振幅

由圖5可以看出，考慮不同圍巖范圍的機墩水平橫向、水平扭轉方向的振幅基本上是恒值，相對而言垂直振幅變化程度大些。通過各方案間的對比發(fā)現，水平方向的圍巖范圍對機墩垂直振幅影響較大，并且隨著各方向圍巖范圍的增加，其對垂直振幅的影響程度減小。但并不是圍巖范圍越大計算結果越準確，當各方向圍巖范圍取至9L時，機墩垂直振幅達到幅值，隨后圍巖范圍增加垂直振幅反而減小。對于本結構模型而言機墩各方向振幅分別為0.0246 mm、0.0255 mm、0.1197 mm，總體來看有限元結果明顯大于規(guī)范算法結果。

圖5 不同圍巖范圍下機墩結構振幅

3 荷載加載方式

隨著機組的旋轉，徑向荷載的方向隨時都在變化，但由于機組的轉速是定值，所以徑向荷載是一種大小不變、方向隨時改變的力。所以本節(jié)采用兩個相互垂直的簡諧波模擬徑向荷載，方案3定子基礎及下機架基礎處的動荷載形式如下式所示。其中F1、F2分別代表定子基礎和下機架徑向動荷載大小。模型范圍與方案A6一致。

F1x=10cosφ=10cos(ωt),

F1y=10sinφ=10sin(ωt)

(1)

F2x=111cosφ=111cos(ωt),

F2y=111sinφ=111sin(ωt)

(2)

方案1：徑向荷載均勻施加在每個基礎板上面；

方案2：考慮到徑向荷載具有分配不均勻和可旋轉的特點，假設下機架的12個基礎板中只有7個承受徑向荷載；定子基礎的14個基礎板中只有9個承受徑向荷載，荷載沿著剛度最小的方向施加；

方案3：因為大軸上的徑向荷載是由機架支臂傳遞到機墩的基礎板上，所以建立考慮機架支臂的廠房結構模型。采用箱式截面的梁單元BEAM188模擬機架支臂，梁單元尺寸為1.2 m×0.75 m×0.04 m×0.04 m(尺寸順序為高度、寬度、翼板厚、腹板厚)。荷載作用在機架的中心點處，隨著機組的轉動而轉動，見圖6。

因為僅考慮徑向動荷載加載方式的影響，并且機墩定子基礎與下機架振幅變化規(guī)律基本相同，所以僅給出各方案機墩定子基礎水平方向的振幅，見圖7。

圖6 方案3徑向荷載施加方案模型

圖7 徑向荷載不同加載方式下機墩定子基礎的振幅

由圖7可知，在徑向荷載不同加載方式下機墩定子基礎處水平向振幅相差程度很大，考慮荷載自身特性計算的水平向振幅最大。

4 結 論

本文從空間特性、模型范圍和荷載加載方式三個方面研究了其對地下廠房機墩動力的影響，并將有限元結果與規(guī)范算法的結果進行了比較，得到了如下結論：

(1) 考慮機墩空間特性的有限元結果與規(guī)范算法結果相差很大，說明了空間特性對機墩動力特性的影響不可忽視。徑向荷載不同加載方式下，機墩動力響應相差較大，按照方案2方式施加，結果偏于安全，但方案3施加方式更合理。

(2) 機墩周圍局部結構及各方向圍巖范圍對整體結構自振頻率均有影響。風罩、樓板、邊墻對機墩振幅基本沒有影響，蝸殼、尾水管對機墩振幅影響較大，不可忽略。不同圍巖范圍下機墩水平向振幅為恒值，垂直振幅有變化，隨著圍巖范圍的增加其影響程度越小，但并不是考慮的圍巖范圍越大越好。當圍巖范圍取至9L時，計算得到機墩各向振幅達到最大值。

所以，綜上所述，規(guī)范算法所忽視的結構空間特性、模型范圍以及徑向荷載加載方式都對機墩結構有影響，導致了規(guī)范算法與有限元結果產生了差異。在對地下廠房進行振動分析時，最好建立考慮機架支臂及9L范圍圍巖的三維有限元模型，計算得到的機墩動力響應更準確。

[1] 馬震岳,陳 婧,劉志明,等.三峽水電站主廠房振動分析[J].三峽大學學報(自然科學版),2004,26(2):111-115.

[2] 韓 芳,蔡元奇,朱以文.十三陵抽水蓄能電站地下廠房結構動力分析[J].武漢大學學報(工學版),2007,40(5):91-94.

[3] 姚新剛,沈振中,王孝州,等.洮河峽城水電站機墩自振特性研究[J].人民黃河,2008,30(2):70-71.

[4] 苗毓海,陳 婧.瀑布溝水電站地下廠房機墩組合結構剛度分析[J].水利與建筑工程學報,2013,11(4):110-115.

[5] 李振富,趙小娜,王日宣.萬家寨水電站機墩組合結構動力分析[J].水力發(fā)電學報,2004,23(2):61-64.

[6] 陳 婧,馬震岳,張宏戰(zhàn).水電站廠房機墩振動計算分析方法的探討[J].黑龍江大學工程學報,2015,6(1):12-16.

[7] 顧鵬飛,喻遠光.水電站廠房設計[M].北京:水利水電出版社,1987.

[8] 陳 鵬,伍鶴皋,袁文娜.地下廠房機墩振幅計算的數值模型取值范圍[J].水利水電科技進展,2014,34(4):16-19.

[9] 霍學平.大型水電站地面廠房動力特性與抗振分析[D].大連：大連理工大學,2015.

[10] 秦 亮.雙排機水電站廠房支承結構動力特性研究[D].天津：天津大學,2003.

[11] 孫萬泉.水電站廠房結構振動分析及動態(tài)識別[D].大連：大連理工大學,2004.

[12] 馬震岳,宋志強,徐 偉,等.水電站廠房機組動荷載施加方式研究[J].水力發(fā)電學報,2009,28(5):200-204，28.

[13] 馬震岳,張 波.水電站廠房機墩結構加載方式探討及剛度分析[J].水力發(fā)電,2009,35(7):40-43.

[14] 國家能源局．水電站廠房設計規(guī)范:NB/T35011—2013[S].北京：中國電力出版社，2013.

[15] 吳 嫻,馬震岳.水電站地下廠房樓板結構設計對振動特性的影響規(guī)律[J].水利與建筑工程學報,2016,14(3):177-181，191.

Discussion on Some Problems in the Dynamic Analysis of Pier Structure of Underground Powerhouse of Hydropower Station

ZHENG Xiumei, MA Zhenyue

(CollegeofWaterResourcesEngineering,FacultyofInfrastructureEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,Liaoning116024,China)

In order to analyze the effects of simplified cylinder pier dynamic calculation method on the dynamic characteristics of the pier in the design code of the hydropower house, in this paper by taking a large underground powerhouse of hydropower station as an example, the influence of the spatial characteristics, the range of the calculation model and the application methods of dynamic loads on the dynamic characteristics of the pier are discussed. The results indicate that the spatial characteristics of the structure has great influence on the dynamic characteristics of the pier, the local structures could affect the dynamic characteristics of the pier, the horizontal amplitude is constant and the vertical amplitude varies in different surrounding rocks, when the surrounding rock is taken to 9 times, the vertical amplitude of the pier is more accurate; the application methods of radial dynamic load have different influence on the horizontal amplitude of the pier.

underground powerhouse; pier; dynamic characteristics; model range; application methods

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.03.005

2017-02-16

2017-03-17

國家自然科學基金項目(51379030)

鄭秀梅(1991—)，女，黑龍江綏化人，碩士研究生，研究方向水電站廠房振動。E-mail：zxmdlut@126.com

馬震岳(1962—)，男，河南南陽人，博士，教授，博導，主要從事水輪發(fā)電機組動力學和水電站建筑物結構分析方面的研究工作。E-mail：dmzy@dlut.edu.cn

TV731+.6

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1672—1144(2017)03—0026—05