樁基數(shù)量對(duì)燃機(jī)基座動(dòng)力性能影響的對(duì)比分析

吳蘭英，方偉定，鐘金周

（1.杭州華電半山發(fā)電有限公司，杭州 310015；2.浙江省電力設(shè)計(jì)院，杭州 310012）

1 概述

某350 MW天然氣熱電聯(lián)產(chǎn)工程采用燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)熱電聯(lián)產(chǎn)機(jī)組，燃機(jī)采用GE公司生產(chǎn)的單軸9F級(jí)重型燃機(jī)。燃機(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)基礎(chǔ)單軸布置，燃機(jī)基座上布置的設(shè)備主要包括：燃機(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)、凝汽器、排氣管及進(jìn)氣管。汽輪機(jī)與發(fā)電機(jī)座布置在11.00 m運(yùn)轉(zhuǎn)層，燃機(jī)及其附屬設(shè)備布置在6.45 m中間層。燃機(jī)、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)軸系為同一軸系，基座全長(zhǎng)55.82 m。燃機(jī)機(jī)組的額定頻率為50 Hz。燃機(jī)基座布置如圖1所示。

電廠一期基座由外方設(shè)計(jì)，設(shè)置228根PHC500管樁，樁基間距過(guò)密，對(duì)樁基施工影響較大，造價(jià)也較高。因此考慮在滿足沉降的前提下盡量減少樁基數(shù)量，使基座既滿足動(dòng)力要求又便于施工，同時(shí)也能適當(dāng)降低造價(jià)。為此，需要對(duì)燃機(jī)基座的動(dòng)力特性進(jìn)行深入分析。

在燃機(jī)基座能滿足廠家給定要求的條件下，優(yōu)化思路主要從邊界條件和結(jié)構(gòu)本身出發(fā)，邊界條件主要考慮樁基數(shù)量及布置，上部結(jié)構(gòu)需要根據(jù)激振力和結(jié)構(gòu)的振型來(lái)綜合考慮。

基座底板厚度在水管坑處為2 m，局部過(guò)渡段板厚4 m，其余均為2.8 m。因底板厚度主要根據(jù)規(guī)程規(guī)范及經(jīng)驗(yàn)來(lái)確定，因此不考慮改變。根據(jù)美國(guó)《大型汽輪發(fā)電機(jī)基座設(shè)計(jì)導(dǎo)則》，對(duì)較大的機(jī)組，底板厚度達(dá)2.4～2.7 m，底板的質(zhì)量至少應(yīng)等于運(yùn)轉(zhuǎn)平臺(tái)板的質(zhì)量與汽輪機(jī)及發(fā)電機(jī)質(zhì)量之和；參考德國(guó)DIN規(guī)范，其底板厚度取機(jī)組長(zhǎng)度的1/10，即5 585 mm；按國(guó)內(nèi)動(dòng)規(guī)要求，平板式基礎(chǔ)的厚度取基礎(chǔ)底板長(zhǎng)度的1/15～1/20，即3 723.3～2 792.5 mm；按DL 5022-2012《火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范技術(shù)規(guī)程》（簡(jiǎn)稱土規(guī)）要求，底板厚度根據(jù)地基土的性質(zhì)而定，在滿足基礎(chǔ)柱嵌固的前提下，可取基礎(chǔ)相鄰柱凈距的1/5～1/3.5，即2 233～3 190 mm。根據(jù)美國(guó)導(dǎo)則，建議至少要滿足上述準(zhǔn)則中的1項(xiàng)（詳見(jiàn)美國(guó)規(guī)范設(shè)計(jì)導(dǎo)則），否則要進(jìn)行更詳細(xì)的分析和設(shè)計(jì)。根據(jù)土規(guī)要求，底板厚度需滿足柱的嵌固要求，如果底板厚度不夠，將會(huì)參與振動(dòng)，當(dāng)?shù)装搴穸葴p到一定程度時(shí)，底板的面外彎曲振動(dòng)也將參與，這時(shí)整個(gè)體系的振動(dòng)會(huì)跟柱子的布置及樁位的布置有較大關(guān)系，因而優(yōu)化的工程量很大，必要時(shí)需進(jìn)行物模驗(yàn)證。為簡(jiǎn)化動(dòng)力優(yōu)化影響因素，同時(shí)滿足進(jìn)度要求，本次優(yōu)化將不改變底板厚度，僅考慮樁的數(shù)量變化。

為便于比較，1號(hào)樁基方案采用滿足沉降要求的133根PHC500管樁，可以滿足樁基規(guī)范樁間距4d（d為管樁直徑）要求；2號(hào)方案采用一期228根PHC500管樁，樁間距無(wú)法滿足4d要求，基本上為3d間距；3號(hào)方案假設(shè)樁頂為剛接，即基座底板與地基固結(jié)。

根據(jù)廠家動(dòng)力響應(yīng)要求，采用通用有限元程序ANSYS對(duì)燃機(jī)基座建模動(dòng)力進(jìn)行分析。

2 建模

2.1 有限元模型單元選取

底板厚度對(duì)整體結(jié)構(gòu)而言，其高度比例有限，屬于中厚板，采用中厚板SHELL181單元模擬時(shí)，不必按實(shí)體單元，可以節(jié)約計(jì)算資源，加快計(jì)算速度，其精度也可以滿足工程要求。

其余單元模擬均參照美國(guó)和德國(guó)規(guī)范及廠家要求。上部結(jié)構(gòu)采用SHELL43單元進(jìn)行離散，適合模擬線性、彎曲及中厚度的殼體單元。在結(jié)構(gòu)中，設(shè)備與基座的連接支架、底板中心到樁頂?shù)倪B接采用剛臂梁BEAM4模擬。設(shè)備質(zhì)量對(duì)基座的自振特性影響很大，為考慮設(shè)備質(zhì)量，采用MASS21單元模擬。將工程樁簡(jiǎn)化為彈簧，在其水平和豎向剛度上以3個(gè)彈簧單元COMBIN14模擬，即水平x，y方向及豎向z方向。

2.2 材料參數(shù)

重力加速度為9 810 mm/s2?；炷罜30，材料參數(shù)為：彈性模量30 GPa，柏松比0.2，密度2.5×10-9t/mm3。

圖1 燃機(jī)基座平面和剖面圖

工程樁剛度選取是分析的關(guān)鍵。根據(jù)樁基動(dòng)剛度試驗(yàn)報(bào)告，單樁水平動(dòng)剛度為Kh，Dynamic=1.83×108N/m， 豎向動(dòng)剛度 Kv，Dynamic=1.95×109N/m。

3 基座動(dòng)力分析

根據(jù)廠家GEK63383B要求，在擾力豎向和水平作用下，基座的振動(dòng)線速度需滿足額定頻率50 Hz下小于限值1.5 mm，超20%額定頻率即51～60 Hz時(shí)小于3.8 mm。首先按照廠家要求從模態(tài)分析入手。

3.1 模態(tài)分析

模態(tài)分析主要用于確定結(jié)構(gòu)或構(gòu)件的固有振動(dòng)特性，即結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型，它們是承受動(dòng)荷載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，也是相應(yīng)動(dòng)力分析的重要基礎(chǔ)。對(duì)于給定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，其振型與固有頻率取決于結(jié)構(gòu)的物理參數(shù)，是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)所固有的。如果已知結(jié)構(gòu)的固有頻率，便可以在設(shè)計(jì)和改進(jìn)時(shí)使結(jié)構(gòu)的固有頻率避開(kāi)其在使用過(guò)程中的外部激振頻率。

3個(gè)方案的模態(tài)分析結(jié)果比較見(jiàn)表1。

表1 各方案主要頻率比較

3個(gè)方案的前三階振型均相同，第一階為橫向一致振動(dòng)，第二階為縱向一致振動(dòng)，第三階為平面一階扭轉(zhuǎn)振動(dòng)。

從表1中可以看出，隨著底部邊界條件變化即剛度加大，結(jié)構(gòu)的前三階自振頻率越來(lái)越大，從底板邊界條件的有限剛度到無(wú)限剛度，前三階的自振頻率變化有限，可見(jiàn)上部結(jié)構(gòu)較柔，較多參與振動(dòng)，不像大塊式基礎(chǔ)，因而試圖通過(guò)增加底板邊界條件的剛度來(lái)改變上部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)是不可取的。在燃機(jī)的額定頻率50 Hz附近和超20%額定轉(zhuǎn)速即60 Hz附近時(shí)，上部結(jié)構(gòu)均有此轉(zhuǎn)速附近的振動(dòng)，圖2—4為50 Hz附近的振型云圖。從振型序號(hào)來(lái)看，隨著底板邊界剛度增加，底板參與振動(dòng)越來(lái)越少，主要表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)。相比柱子的總動(dòng)剛度，樁的總動(dòng)剛度大很多，即使是樁數(shù)量較少的1號(hào)方案，柱子參與的振動(dòng)也較多，因此底板樁基數(shù)量改變難以改變結(jié)構(gòu)上部的自振特性。

圖2 1號(hào)方案的50.1 Hz振型云圖

圖3 2號(hào)方案的50.2 Hz振型云圖

圖4 3號(hào)方案的49.9 Hz振型云圖

3.2 擾力作用下的基座動(dòng)力響應(yīng)分析

從以上3種方案的模態(tài)分析可以看出，基座上部結(jié)構(gòu)的固有頻率無(wú)法避開(kāi)燃機(jī)的額定轉(zhuǎn)速，根據(jù)廠家要求，需要施加擾力進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析。

廠家GEK 63383B要求，3號(hào)—8號(hào)軸承座處轉(zhuǎn)子所在點(diǎn)的擾力幅值均為53.4 kN。根據(jù)德國(guó)規(guī)范DIN 4024《機(jī)器基礎(chǔ)：具有旋轉(zhuǎn)零件的機(jī)器用柔性支承結(jié)構(gòu)》要求，當(dāng)不知道擾力相位時(shí)，可以假定各軸承上的擾力按同一方向作用，然后再按相反的方向作用進(jìn)行分析計(jì)算。阻尼比根據(jù)廠家說(shuō)明取0.02。

圖5—7分別是3個(gè)方案各擾力點(diǎn)在水平擾力（擾力同向）作用下的振動(dòng)線位移幅值和頻率曲線（簡(jiǎn)稱幅頻曲線）。

圖5 1號(hào)方案Y向幅頻曲線

圖6 2號(hào)方案Y向幅頻曲線

從圖中可以看出，3種方案的幅頻曲線趨勢(shì)相近，由于基座柱子與樁基的總動(dòng)剛度相差較大，樁基的數(shù)量即底板邊界條件的剛度對(duì)振動(dòng)響應(yīng)的影響比較有限，只在一定程度上調(diào)整了峰值。水平擾力（擾力同向）作用工況下，把振動(dòng)線位移轉(zhuǎn)換為振動(dòng)速度，在50 Hz時(shí)小于限值1.5 mm/s，超20%額定頻率工況即51～60 Hz時(shí)小于3.8 mm/s，滿足要求。

圖7 3號(hào)方案Y向幅頻曲線

表2為1號(hào)方案在額定頻率50 Hz工況下各擾力點(diǎn)的豎向振動(dòng)響應(yīng)幅值。

表2 1號(hào)方案在額定頻率50 Hz工況下的豎向振動(dòng)響應(yīng)

3個(gè)方案的其他工況計(jì)算不再一一列出，其動(dòng)力響應(yīng)結(jié)果均滿足要求。

對(duì)于1號(hào)和2號(hào)軸承，雖然廠家沒(méi)有要求核算強(qiáng)迫振動(dòng)下的動(dòng)力響應(yīng)，但仍然按廠家在其他軸承處施加的擾力來(lái)進(jìn)行驗(yàn)算。

從1號(hào)方案的驗(yàn)算結(jié)果看，額定工況下，擾力水平橫向作用時(shí)，1號(hào)軸承處的振動(dòng)幅值最大，最大振動(dòng)速度為1.48 mm/s，小于廠家限值1.5 mm/s，滿足要求。1號(hào)軸承水平振動(dòng)較大，從振型圖（圖2）可以看出，在50 Hz自振頻率時(shí)，存在局部振動(dòng)，可通過(guò)調(diào)整混凝土支墩厚度及減小軸承中心與支墩幾何中心的偏心值或調(diào)整此混凝土支墩的扭轉(zhuǎn)剛度等措施來(lái)優(yōu)化。超過(guò)20%額定頻率即51～60 Hz時(shí)，1號(hào)、2號(hào)軸承處的振動(dòng)幅值都較大，最大振動(dòng)速度在2號(hào)軸承，為2.47 mm/s，但仍小于廠家限值3.8 mm/s，滿足要求。從振型來(lái)看，振動(dòng)較大的主要原因?yàn)檩S承相對(duì)混凝土支墩中心偏心較大，設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí)，可以調(diào)整混凝土支墩的厚度或適當(dāng)減小偏心來(lái)減小超過(guò)額定轉(zhuǎn)速工況下的振動(dòng)幅值。

2號(hào)方案和3號(hào)方案的情況與1號(hào)方案類似，均可通過(guò)調(diào)整基座上部結(jié)構(gòu)剛度特別是柱子和支墩的剛度（包括它們的布置）來(lái)避免振動(dòng)響應(yīng)過(guò)大問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

（1）通過(guò)模態(tài)分析，在滿足沉降和強(qiáng)度要求且樁的總動(dòng)剛度比基座上部結(jié)構(gòu)柱子總動(dòng)剛度大時(shí)，燃機(jī)基座的底板邊界條件即樁的數(shù)量對(duì)基座上部結(jié)構(gòu)振動(dòng)影響有限，基座上部結(jié)構(gòu)的固有頻率很難通過(guò)調(diào)整樁的數(shù)量來(lái)避開(kāi)機(jī)器的額定頻率。因此可在滿足沉降和強(qiáng)度前提下盡量減少樁的數(shù)量，減少施工難度，降低造價(jià)。

（2）在對(duì)基座施加擾力計(jì)算其動(dòng)力響應(yīng)的過(guò)程中，可根據(jù)振型分析來(lái)調(diào)整局部結(jié)構(gòu)的剛度和布置，以此來(lái)調(diào)整結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)，達(dá)到動(dòng)力優(yōu)化的目的。

（3）本期基座樁基是一期基座樁基的0.58倍，節(jié)省樁基成本約60萬(wàn)元。

[1]GB 50040-96動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2003.

[2]DL 50022-2012火力發(fā)電廠土建結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定[S].北京：中國(guó)計(jì)劃出版社，2012.

[3]博弈創(chuàng)作室.APDL參數(shù)化有限元分析技術(shù)及其應(yīng)用實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2004.