水電站廠房結(jié)構(gòu)自振特性分析

鹿寧

中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司 陜西西安 710065

某處以水電站廠房結(jié)構(gòu)尺寸在105．8m×40．2m×94．1m（長×寬×高），其中一共布置了4臺(tái)機(jī)組，主要運(yùn)用的是一機(jī)一縫的方式來進(jìn)行布置。水庫正常化蓄水位在1022m，電站裝機(jī)容量則在560MW，諸多年來的平均發(fā)電量在25．07億kW·h，相應(yīng)的機(jī)組在額定工況之下的轉(zhuǎn)速在60r/min[1]。

1 概述

對(duì)于水電站廠房而言，自振特性則是其自身固有且尤為關(guān)鍵的力學(xué)性能，主要涵蓋阻尼比、振型、自振頻率等等，這是衡量其自身剛度合理性的重要指標(biāo)。作為其自身特點(diǎn)的關(guān)鍵參數(shù)之一，其自身的頻率將直接影響工廠結(jié)構(gòu)的功率，這是水電站電力研究的真正基礎(chǔ)。近年來，許多專家學(xué)者增加了水電站自身頻率分析的實(shí)力，取得了重要成果。通過對(duì)水電站下各電網(wǎng)支護(hù)方式和仿真模式對(duì)全廠固有頻率影響的研究分析，研究了該裝置振動(dòng)負(fù)荷的相應(yīng)響應(yīng)。根據(jù)各種研究，電網(wǎng)支持和模擬方法對(duì)工廠子結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率影響較大，因此有必要根據(jù)正確的尺寸構(gòu)建包括網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型[2]。潛在流體單元用于模擬水電站流道中的水體，應(yīng)用粘彈性邊界模擬地面效應(yīng)，不考慮水體模型和流體相互作用。據(jù)信其下方植物結(jié)構(gòu)的自振頻率對(duì)水體的頻率和動(dòng)態(tài)具有顯著影響，但只有水庫和尾水的附加質(zhì)量引起非常大的誤差。

2 廠房結(jié)構(gòu)自振特性

如圖1所示，在實(shí)現(xiàn)結(jié)的模態(tài)相位的過程中，適當(dāng)?shù)亟o出了三個(gè)模型之后的10階固有頻率的比較。計(jì)算結(jié)果表明，邊界條件對(duì)固有頻率和振動(dòng)形狀的影響較大[3]。在一個(gè)模型中，除第4和第8局部部分恢復(fù)外，其他階段是地板震動(dòng)的垂直振動(dòng)和部分框架的垂直位移；第二和第三模型的振動(dòng)模式在地板上都是垂直的。與模型2和模型3相比，模型1的10階固有頻率非常小，模型結(jié)構(gòu)的振動(dòng)周期相對(duì)較短，結(jié)構(gòu)剛度較高。三周邊巖石限制模型各階段的自振頻率高于周圍右模型的自振頻率，圍巖的約束是模型的自然振蕩頻率和建筑物結(jié)構(gòu)的周圍環(huán)境。表明它對(duì)巖石的局限性影響較大，地板振動(dòng)也增加。

圖1 不同邊界條件下模型的自振頻率對(duì)比

3 自振頻率與各影響因素的關(guān)聯(lián)度分析

3.1 各部分彈模對(duì)自振頻率的影響度

水電站廠房混凝土結(jié)構(gòu)總體上通常分兩期施工，一期混凝土重要包含流道底板、引水管、上游胸墻等上游以及上部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，二期混凝土重要包含下游胸墻、蝸殼、發(fā)電機(jī)墩、座環(huán)基礎(chǔ)、流道以及發(fā)電機(jī)層超過混凝土結(jié)構(gòu)等[4]。

不同標(biāo)號(hào)混凝土的彈性模量有所不同，現(xiàn)設(shè)立下列三組方案，研究一期混凝土、二期混凝土以及地基三者的彈性模量對(duì)于水電站廠房自振頻率的影響?其中A組方案之中地基彈模維持絕不變，廠房一、二期混凝土等級(jí)標(biāo)號(hào)依次取作為C10、C15、C20、C25、C30、C35 以及 C40，彈模改由 17．5GPa 變動(dòng)到32．5GPa，而且二者保持一致（依據(jù)全新水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范，混凝土動(dòng)態(tài)彈性模量可比靜態(tài)提升50%，后文之中混凝土以及地基的彈模值域均為靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值E0，于模態(tài)測量中取作為1．5E0）；B組方案之中廠房一、二期混凝土標(biāo)號(hào)絕不變（C30），地基彈模依據(jù)通常工程地質(zhì)由7．4GPa變動(dòng)到11．0GPa；作為分析一期與二期混凝土對(duì)于廠房自振頻率的影響程度大小，C組方案之中地基彈模維持不變，廠房一期與二期混凝土依次取有所不同標(biāo)號(hào)?三組研究方案之中一期、二期混凝土容重均取作為25kN/m3，泊松比取為0．167；地基的泊松比取為0．25，絕不考量地基的容重?

3.2 各部分容重對(duì)自振頻率的影響度

為分析一期、二期混凝土容重對(duì)于水電站廠房自振頻率的影響，依據(jù)實(shí)際工程之中的取值范圍，把混凝土容重改由23．0kN/m3變動(dòng)到26．0kN/m3?其中，D組之中兩期混凝土容重變動(dòng)相同；E組之中作為導(dǎo)出各部分混凝土容重對(duì)于自振頻率的影響度，依據(jù)關(guān)聯(lián)度研究之中早期數(shù)據(jù)的需要，兩期混凝土容重有所不同而且有各自的變化規(guī)律?各方案之中一期、二期混凝土彈性模量取作為28GPa，泊松比取為0．167；地基彈性模量取作為8GPa，泊松比取為0．25。

3.3 彈模和容重影響度綜合分析

上述以此單因子函數(shù)法依次研究了水電站廠房各部分彈性模量與容重和其自振頻率的相關(guān)度。獲得了僅考量彈模與僅考量容重時(shí)，各部分對(duì)于應(yīng)參數(shù)和廠房自振頻率的普遍規(guī)律和影響程度[5]。不過，廠房自振頻率和這兩個(gè)因素均具有比較緊密的聯(lián)系，實(shí)際工程之中常常需掌控尤為復(fù)雜的因素，以更為精確地對(duì)于其自振頻率加以控制。

總之，通過對(duì)地上式水電站廠房結(jié)構(gòu)的自激振動(dòng)特性和廠內(nèi)止水裝置的研究分析得出以下結(jié)論。（1）在水力發(fā)電廠的固有振動(dòng)特性中，發(fā)電機(jī)地板更難以超越該結(jié)構(gòu)。它可能會(huì)導(dǎo)致振動(dòng)或損壞。（2）在對(duì)工廠結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜態(tài)研究時(shí)，止水設(shè)置對(duì)結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響相對(duì)較小，從而使結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力條件相對(duì)較差，混凝土也是如此。由于整合的經(jīng)濟(jì)和工程意義很小，整個(gè)工廠結(jié)構(gòu)需要在各種運(yùn)行條件下進(jìn)行調(diào)整。