泵房結構動力參數(shù)反演的模型分析

丁曉唐，趙 輝, 王振興

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

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泵房結構動力參數(shù)反演的模型分析

丁曉唐，趙 輝, 王振興

(河海大學 土木與交通學院，江蘇 南京 210098)

泵房結構的動力結構參數(shù)反演對于評價泵房結構的健康狀態(tài)尤為重要，以淮安三站為工程背景，進行泵房結構的動力參數(shù)反演。根據(jù)現(xiàn)場的實測一階頻率及實測的加速度峰值，基于改進遺傳算法進行泵房結構的參數(shù)反演，并通過比較簡化模型及彈簧約束兩種模型對反演泵房結構材料參數(shù)結果的影響，得到更為合理的計算模型。該模型更加符合工程實際概況，提高了有限元正分析的精確度，從而為反演分析建立良好基礎。計算結果證明，和簡單模型相比較，彈簧約束模型更符合實際情況，計算結果更準確。

泵房；參數(shù)反演；彈簧約束模型；

水工建筑物在運行過程中不可避免要產(chǎn)生振動，若振動超限，就會影響其安全運行，縮短使用壽命，因此需進行水工結構的動力特性和動力響應研究[1-3]。反演分析對于水工建筑物振動問題的研究十分重要。一般正分析研究，如有限元數(shù)值分析，邊界條件及材料參數(shù)等初始計算參數(shù)需要事先給定，而要完全正確的給出這些條件及參數(shù)是有困難的，尤其在水工結構這樣復雜的系統(tǒng)條件下，問題將變得更加棘手。因此，在水工結構的研究問題中，通常需要反演計算系統(tǒng)的材料、邊界條件等參數(shù)，以此來不斷修正正分析模型[4-8]。張路路等結合某水電站和地下廠房結構的實測振動響應，利用流激振動反分析和改進遺傳算法，對廠房結構振動荷載參數(shù)進行了反演研究[9]。陳方方等采用數(shù)值試驗方法開展強度參數(shù)反演可靠性研究，說明了其精度與穩(wěn)定性[10]。建立不同計算模型，在后續(xù)的反分析計算中對計算結果進行比較，得出更為符合工程實際的計算模型，為后續(xù)正分析及振動荷載參數(shù)反演做準備。對泵房結構的動力參數(shù)反演是建立在有限元正分析基礎上的，采用有限元軟件ANSYS建立泵房結構的有限元動力計算模型，通過計算比較得出更為符合工程實際概況的模型，使有限元正分析結果更加準確，為后續(xù)反演分析打好基礎，并為相關工程提供參考。

1 工程概況

淮安三站站身采用堤身式塊基型整體結構，站身上下共分三層：其中高程4.75 m以下為流道層，高程4.75 m以上為輔機層，高程10.8 m為廠房地坪。在流道層下面，安裝了排水設備和油箱等，并設置了地下室，其高程為-2.8 m，地下室的底部為集水井。流道為臥式雙向直錐擴散型，站身上下游均設立直立式翼墻，斷流方式則采用繩鼓啟閉平板直升快速鋼閘門斷流。

2 泵房結構有限元正分析模型

對淮安三站泵房結構進行動力參數(shù)反演是建立在有限元正分析基礎之上的。采用有限元軟件ANSYS建立淮安三站泵房結構有限元動力計算模型。為探究模型簡化對計算精確度的影響，現(xiàn)建立兩種有限元模型：

(1)簡化模型，即忽略泵房塊基周圍土體作用；

(2)彈簧約束模型，即采用彈簧考慮泵房周圍土體作用。

在后續(xù)的反分析計算中對計算結果進行比較，得出更為符合工程實際的計算模型。模型情況如下：10.8～23.4 m為上部廠房結構。該部分包括屋面梁與廠房柱組成的排架結構以及吊車梁等，采用Beam4單元進行離散。-5.0～10.8 m為塊基結構。自下至上包括底板、廊道、進出水流道、輔機層、上下游胸墻、工作橋以及廠房地坪等，采用Solid45單元離散。圖2為泵房結構軸測圖。

3 改進遺傳算法的參數(shù)反演及結果分析

反演計算往往需要多次調(diào)用正分析計算。例如本文在進行泵房結構動力材料參數(shù)、邊界條件、振動荷載參數(shù)以及渡槽動力材料參數(shù)反演計算時，都多次調(diào)用了有限元正分析計算。多次的正反算結合，通常大大的增加了計算量及計算時間。這就對進行反演計算時所采用的算法提出了更高的要求。本文采用的改進遺傳算法具有較強的全局尋優(yōu)能力。在淮安三站的實測資料中，已測得泵房結構豎直向、順河向、橫河向各方向自振頻率，可聯(lián)合各方向自振頻率構造單目標函數(shù)進行參數(shù)反演。

基于動力響應的泵房結構參數(shù)反演流程圖如圖3所示：

3.1 簡化模型反演結果

泵房結構動彈模反演值為4.45×104MPa。改進遺傳算法分析過程見圖4：

從圖5中可以看出，到了第7代時得到了相對最優(yōu)解。然而，計算得到的反演參數(shù)值偏大，泵房結構的動彈模反演值為4.93×104MPa。泵房結構混凝土的靜彈模2.80×104MPa，《水工建筑物抗震設計規(guī)范》(SL203-97)中規(guī)定混凝土水工建筑物的抗震強度計算中，混凝土的動態(tài)彈性模量為靜態(tài)彈性模量的1.3倍，而該值為靜彈模的1.76倍，遠遠超過規(guī)范規(guī)定的1.3倍，且不滿足工程精度要求，反演值不可靠。分析其原因，由于模型是簡化模型，忽略了泵房塊基周圍土體的彈性抗力作用，泵房結構的剛度勢必會比實際的低，這是造成反演結果不可靠的主要原因。若土體的彈性抗力作用越明顯，則泵房結構的剛度降低的越多，反演參數(shù)的數(shù)值將會進一步增加。

此外，早期在對淮安三站泵房結構動力特性的研究時發(fā)現(xiàn)，采用該簡化模型計算得到的系統(tǒng)基頻為1.28 Hz，此結果僅為測試結果基頻值的46.9%，且數(shù)值計算結果與測試結果之間相同階次的自振頻率數(shù)值相差較大。

綜上所述，無論從正分析角度還是反分析角度來看，有限元模型的建立對整個計算結果的影響頗為重要，模型簡化正確與否將直接影響計算結果的準確性。就本文的簡化模型而言，其忽略泵房周圍土體的彈性抗力作用，很大程度上影響了工程計算精度。因此，為得到準確的計算結果，建立彈簧約束模型進行反演計算十分必要。

3.2 彈簧約束模型反演結果

經(jīng)單目標函數(shù)的改進遺傳算法反分析計算，得到反演參數(shù)分布圖及反演計算過程如下所示：

圖9顯示出了彈簧模型進化到第二十代時得到了相對最優(yōu)解，且一直保持到第30代此解都沒有變化。本文所提的單目標函數(shù)反演方法及采用的改進遺傳算法具有較高的搜索效率，從目標函數(shù)值可看出該法具有較高的反演精度。經(jīng)單目標函數(shù)反演的最終的最優(yōu)解為：

E動=3.95×104MPa；K=4.78×107N/m

比較簡化模型和彈簧約束模型反演結果，可以看到考慮了泵房周圍土體的彈性抗力作用，使得泵房結構的剛度增加，反演參數(shù)值降低很多。泵房結構的動彈模反演值為3.95×104MPa，近似為靜彈模的1.41倍，雖比規(guī)范規(guī)定的1.3倍高，但基本滿足了工程精度的要求。彈簧剛度系數(shù)反演值為4.78×107N/m，比規(guī)范公式算得的彈性抗力系數(shù)值偏低，主要原因可能在于，由于施工及混凝土收縮等因素造成泵房塊基與支護混凝土之間接觸不緊密，甚至有縫隙的存在，這使得二者的相互作用減弱。

4 結論

以淮安三站為工程背景，基于改進的遺傳算法，構造單了目標函數(shù)，建立了簡化模型和彈簧約束模型，對泵房結構進行動力參數(shù)反演。建立簡化模型和彈簧約束模型，比較簡化模型和彈簧約束模型對泵房結構動彈模型的反演結果可以得出：就簡化模型而言，忽略了泵房周圍土體的彈性抗力作用，很大程度上影響了工程計算精度，反演結果與實測值相差較大；彈簧約束模型則充分考慮了泵房周圍土體的彈性抗力作用，更為符合實際情況，得到的反演結果更為準確，基本滿足工程精度的要求。

[1]陳維江.大壩安全監(jiān)測及廠房動力反演分析模型研究[D].大連：大連理工大學, 2002.

[2]趙鳳遙.水電站廠房結構及水力機械動力反分析[D].大連：大連理工大學, 2006.

[3]練繼建.開機過程中的水電站廠房振動分析[J].水利發(fā)點電報, 2006,25(2):1-5.

[4]馬震岳,董毓新,郭永剛,等.三峽水電站廠房結構動力分析與優(yōu)化[J],水電能源科學,2000,18(3): 26-28.

[5]王永禎.大型泵房結構的動力特性分析及優(yōu)化設計[D].鄭州: 鄭州大學,2012.

[6]楊林德,黃 偉,王 聿.初始地應力位移反分析計算的有限單元法[J].同濟大學學報,1985,13(4): 69-76.

[7]KIRSTEN H A D.Determination of rock mass elastic moduli by back analysis of deformation measurement[C].Proc Symp on Expliration for Rock Eng.Johannesburg,1976,1154-1160.

[8]鐘莉等.臺風“麥莎”作用下輸電塔風荷載反演[J].河北工程大學學報:自然科學版，2008,25(3): 42-45.

[9]張路路.基于振動響應的地下廠房荷載反演分析[D].天津：天津大學,2012.

[10]陳方方,李 寧,張志強.一種洞室圍巖強度參數(shù)的反演方法及其驗證[J].巖石力學與工程學報,2010,29(1):97-103.

(責任編輯李軍)

The model analysis on dynamic parameters inversion of pump room structure

DING Xiaotang, ZHAO Hui, WANG Zhenxing

(College of Civil and Transportation Engineering, Hohai University, Jiangsu Nanjing210098,China)

Dynamic parametric inversion plays an essential role in evaluating the health ststus of pump room structure, Huai’an third station was taken as the engineering background for pump structure dynamic parameter inversion. According to the measured first order frequency and the measured acceleration peak value, parameter inversion of pump room structure was carried out on bases on improved genetic algorithm. The more reasonable calculation model was obtained by comparing the effects of the material parameters of pump structure inversion between simplified model and spring constraint model. Reasonable calculation model was more in line with the actual situation of the project and could improve the accuracy of finite element analysis, so as to establish a good foundation for the inversion analysis. The results show that the spring constraint model is more realistic and the result is more accurate than the simple model.

pump room structure; parameter inversion; spring constraint model

2015-10-21

國家自然科學基金資助項目(51279052)

丁曉唐(1961-)，女，吉林長春人，博士，副教授，從事混凝土結構基本理論及近代計算方法研究。

1673-9469(2016)02-0010-05

10.3969/j.issn.1673-9469.2016.02.003

TV312

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