水电站厂房机组支承结构振动分析及结构优化

水电站厂房机组支承结构振动分析及结构优化

陈浩

广东珠荣工程设计有限公司510610

摘要：本文对水电站厂房结构动力分析作出了论述，为相关的工作者提供一定的借鉴和参考。文章旨在与同行互相学习、交流，共同进步。

关键词：水电站厂房；振动；机组支撑结构；结构优化

一、水电站厂房结构动力分析

水电站厂房是复杂的空间结构，在机组振动作用下，薄弱部位和构件的反应最为敏感，也最受关注。例如，机墩是主要的机组支承体系，其刚度和强度最为关键楼板是附属电气设备的基础，也是运行人员的受振载体。从振动控制角度出发，动应力的破坏较为少见，而对结构自振频率、振幅和刚度的控制至为重要。

对于直接承受机组动荷载的支承结构一机墩的动力分析，《水电站厂房设计规范》一附录给出了基于单自由度振动体系而推导出的自振频率及振幅计算公式，并对厂房机墩结构所承受的动荷载及其组合做出了一般性的规定。如此规定对于低水头、中小型发电机组的结构设计是适用的，国内多数电站是按这套方法设计的，运行中也未发生共振和其他问题。但对于高水头、大容量、高转速的水电站机组，采用规范中推荐的单自由度体系分析方法对计算结果有多大的影响，需进一步探讨。随着计算机的迅速发展，数值计算方法的不断完善和普遍应用，通过三维有限元方法进行机组支承结构动力特性的计算分析得到普遍运用。

1.工程实例基本情况

（1）工程概况

木加甲一级水电站位于云南省怒江州福贡县怒江右岸一级支流木加甲河上，通过木加甲跨江桥与怒江左岸主干公路相连，电站厂址距福贡县城73km，距昆明市769.0km。电站总装机容量60MW，安装2台单机容量30MW的冲击式水轮机。电站枢纽主要由首部枢纽、引水隧洞、调压井、压力钢管、发电厂房、开关站等工程组成，工程等级为三等。电站与电力系统的连接方式采用单回路110kV一级电压接入木加甲二级水电站，与木加甲二级水电站汇流后接入马吉中心变电站。

发电厂房由主副厂房、安装间组成，主厂房包括发电机层、水轮机层、球阀层、尾水道，副厂房包括技术供水室、高低压开关室、电缆层和中控室，主副厂房包括相应的水、油、气和通风、排水系统。主厂房轴线方向NW30°，平面尺寸42.8×19.6×33.3m（长×宽×高）。开关站布置于主副厂房背后山顶平台处，平面尺寸53.5×25m（长×宽），布置2台主变压器及110kV开关站，高压电缆经出线廊道引至开关站平台。电站水泵水轮机及发电机的参数见表1和表2。

表1水泵水轮机主要参数表

表2发电机主要参数表

二、有限元计算模型

1、计算范围和边界条件

（1）计算范围

选取“1、2“机组段结构进行整体三维有限元计算，计算范围长度方向从厂左0+016.00m~厂左0+033.20m，上下游方向从厂上0+014.20m~厂下0+009.60m，尾水管部分取到厂下0+020.00m。

计算模型模拟了集水井、尾水管（包括肘管）及外围混凝土、座环、蜗壳、蜗壳外围混凝土、机墩、风罩、各层楼板、厂房边墙和结构柱等结构，所有混凝土结构及其开孔均按实际体型尺寸进行模拟。

（2）边界条件

在“1、2”机组段两侧，考虑结构分缝，各层楼板由梁柱支撑，按自由边界处理，蜗壳层底板按固定约束处理。在上、下游侧，各层楼板、蜗壳层底板与边墙之间为刚性连接。发电机层1502.5m至蜗壳层底板1493.6m范围内边墙与围岩之间考虑为弹性支撑，在边界节点上加弹性水平约束，竖向不加约束。尾水道底板（1485.2m）以下的所有结构与围岩之间均按刚性连接处理，尾水管端部的混凝土结构按刚性连接处理。

2、计算模型

由于主厂房结构的复杂性，数值计算采用有限单元法进行。在众多可用的通用和专用有限元软件中，本次计算选择大型通用的结构分析商业软件ANSYS，在设计分析类软件中其第一个通过了ISO9001：2000质量体系认证，计算的通用性和可靠性较好，计算结果具有良好的可信度。结构分析中计算得出的基本未知量（节点自由度）是位移，其它的一些未知量，如应变、应力和反力等，可通过节点位移导出。有限元模型网格划分是计算的前提和关键工作。在进行厂房有限元动力分析模型建立中，对混凝土块体和楼板结构直接进行整体建模，再通过布尔操作，搭建出各构件个体，在计算机容量和计算时间允许的范围内，取尽可能精细的有限元网格。木加甲一级水电站厂房的布置型式和结构特点是以大体积混凝土结构为主，周边受围岩的约束作用，此外还有楼板、墙体、立柱及固定导叶等结构。尾水管钢衬和座环等的局部加强作用在厂房整体分析中可予忽略。在网格划分时，根据构件的特征，分别选用块体单元、板单元、梁单元、二力杆单元以及弹簧单元，分别模拟大体积混凝土结构，楼板结构，梁柱结构、固定导叶结构及围岩的约束作用等。同时，还根据结构受力的特征，对网格的疏密程度加以控制，如在可能的应力集中部位和主要关心的构件上，尽可能细化单元，以提高计算精度而在应力分布比较平缓或受力较小的大体积部位，适当采用较粗的网格，以降低计算工作量。

三、厂房机墩组合结构自振特性计算

《水电站厂房设计规范SL266-2001》动力计算中机墩结构自振频率的计算是建立在单自由度无阻尼振动体系上的，计算中假定圆筒机墩底部为固定端，顶部为自由端，不考虑楼板刚度的作用，作用于机墩的楼板荷载、风罩自重及机组荷载均假定均布在机墩顶部，并换算成相当于圆筒中心圆周的荷载。其强迫振动频率仅考虑了机组转动部分偏心引起的振动频率和水力冲击引起的振动频率，计算结果为机墩垂直自振频率、水平横向自振频率和水平扭转自振频率。

三维有限元法计算整体结构的自振频率是建立在多自由度无阻尼振动体系上的，通常采用模态求解方法。由于频率与振型是特征值和特征向量的关系，他们是一对特征对，因此某一阶次表现某一部位的振型，其对应的就是该部位的频率。对于水电站厂房包含楼板、立柱及大体积混凝土结构的复杂结构，构件的刚度差别较大，振型十分复杂，首先出现的低阶模态包括频率和振型大部分是刚度较低的板梁构件的，基频反映的是刚度较低的板梁柱等，而机墩等刚度较大构件的模态难于体现。随着频率阶数的增加，在高阶模态中才会出现机墩的垂直自振频率、水平横向自振频率、水平扭转自振频率及其相应的振型。但从模态分析的角度来说，低阶模态对整个结构的贡献大，意味着刚度低的板梁柱发生振动的概率大，而高阶模态对整个结构的贡献小，可以认为发生机墩垂直振动、水平横向振动及水平扭转振动的概率要小。本次计算采用ANSYS程序，其模态分析是线性分析，模态提取方法采用BlockLanczos法。

共振校核应考虑不同机组振源特性引起的厂房局部结构的振动问题，机墩组合结构的自振频率应避开机组转频、电磁振动、水力振动的主频率。按照《水电站厂房设计规范SL266-2001》第4.3.8条“机墩自振频率与强迫振动频率之差和自振频率之比值应大于20%~30%，或强迫振动频率与自振频率之差和机墩强迫振动频率之比值应大于20%~30%，以防共振”的规定进行共振校核。

1、结构固有振动特性计算

（1）模态分析方法

模态分析包括结构的自振频率计算和振型计算，对于复杂的组合结构，必须借助振型图确定结构构件自振频率分布。张河湾上、下游侧边墙与围岩之间的水平弹性支撑，按照以下四种模型考虑，来计算机组支承结构自振频率。

模型一：在边界节点上加弹性水平约束，围岩弹模选取20Gpa；

模型二：在边界节点上加弹性水平约束，围岩弹模选取40Gpa；

模型三：在边界节点上加弹性水平约束，围岩弹模选取60Gpa；

模型四：在边界节点上加三向固定约束。

机墩组合结构前15阶固有振动频率及振型计算结果见表4，模型二前10阶振型见图5。

表4机墩组合结构自振频率及振型（Hz）

表5机墩组合结构自振频率及振型（Hz）

四、水电站厂房机组支承结构优化

为了避免机组振动过大的现象，水电站厂房机组支承结构的优化可以从两个方面入手，分别是改变结构自振和加强结构刚度。要改变结构的自振，那么应该从自振频率上考虑。要加强结构的刚度，那么就应该提高结构的减振能力，加强结构的刚度。其具体分析如以下几点

1、利用围岩刚度运用围岩刚度对减小机组振动，主要是运用岩体自身的刚度来弥散振动力，因此就要加强混凝土和围岩之间的连合，把机组产生的振动力引向围岩，运用围岩本体抵散机组运转的振动力。而作为单台机组，并不能有效利用围岩刚度来抵散振动力，只有楼板上下游边界才有条件利用围岩刚度，因此应该在厂房结构的设计中做考虑，可以在与围岩接触的建筑体中增设锚筋，也可以对围岩的局部进行槽挖，槽挖之后填入混凝土，实现建筑体构件与围岩的有效连接。

2、机段组的分缝就机段组的分缝问题而言，在目前已有分缝形式主要包括两机一缝、一机一缝的形式，对于一机一缝来说，其结构型式的布置合理，而且受力的设置明确，在水电站整体运行中，可以对运行中复杂的工况下减小机组的振动。对于两机一缝而言，这种设置多运用在普通的梁板结构中，由于在这种情况下不能有效增强相邻机墩组合结构间的刚度，那么对于机段组的划分，应该尽量让每个机段组保持独立的布置，由于两机一缝的方式便于施工，故而也被广泛运用。对于水电站主厂房的结构建设，那么应多使用厚板的建筑材料，厚板和边墙都要有均匀的浇筑，要使两者之间形成稳固、有效地连接。

此外，要优化水电站厂房机组支承结构，那么应优化楼板的结构，要利用厚板和优化梁板结构的形式来建设，对于梁板的支承构件要对其进行刚度的增强，特别是梁、柱等构件的刚度，要运用一些减振、有刚度的材料来建设。再者对于厚板的厚度问题，要结合实际的运算和分析来对厚度做出合理要求，既要减小其支承结构的尺寸，也要满足减振的刚度要求。

3、控制振动路径水电站厂房机组支承结构振动的原因与振动传递的路径密不可分，因此，在振动的路径上，要对其进行有效地控制。对于这些路径的存在，其主要是机组振动通过风罩传递到发电机层楼上，另一部分的振动，则来源于蜗壳的压力脉动，也有尾水管的压力脉动，这些作用力可以传递到整个厂房中，既可以作用到厂房外围的混凝土上，也可以通过顶盖、导轴承机架等传递到结构上形成振动影响。因此要对这些振动的途径进行控制，那么应切断或延长机组振动的传递路径，对于风罩的布置，应与厂房放电机层楼板整体有效连接，减少振动的影响。

参考文献：

[1]马震岳，沈成能，王溢波等.红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究[J].水力发电学报，2002（1）：28-36.

[2]练继建，张辉东，王海军等.水电站厂房结构振动响应的神经网络预测[J].水利学报，2007，38（3）：361-364.

[3]欧阳金惠，陈厚群，张超然等.156m水位下三峡水电站15#机组厂房结构的振动安全研究[J].水利水电技术，2007，38（9）：48-51.

[4]宋志强，马震岳.水电站机组与厂房耦联振动测试及有限元数值反馈计算[J].水力发电学报，2012，31（2）：170-174.