陳 鵬,伍鶴皋,袁文娜

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江杭州 310014)

地下廠房機(jī)墩振幅計算的數(shù)值模型取值范圍

陳 鵬1,2,伍鶴皋1,袁文娜1

(1.武漢大學(xué)水資源與水電工程科學(xué)國家重點實驗室,湖北武漢 430072; 2.中國水電顧問集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司,浙江杭州 310014)

為了分析地下廠房圍巖邊界條件對機(jī)墩動力特性的影響以及不同數(shù)值模型取值范圍對機(jī)墩振幅計算結(jié)果的影響,結(jié)合某水電站地下廠房實際情況,建立了三維有限元數(shù)值模型。計算結(jié)果表明:廠房邊界彈性支撐的增強(qiáng)有助于機(jī)墩、風(fēng)罩的抗振,風(fēng)罩壁厚的增加對增強(qiáng)機(jī)墩、風(fēng)罩抗振能力效果不明顯;采用動力諧響應(yīng)分析方法計算機(jī)墩振幅時,數(shù)值模型的取值范圍對振幅計算結(jié)果有較大影響;計算機(jī)墩振幅時,建議采用廠房整體模型,但現(xiàn)行規(guī)范中推薦的機(jī)組振動荷載需進(jìn)一步論證確定。

地下廠房;機(jī)墩;水電站;動力特性;振幅;數(shù)值模型

水電站廠房承擔(dān)著將水能轉(zhuǎn)換為電能的任務(wù)。由于水電站廠房的功能和結(jié)構(gòu)特點,不可避免會出現(xiàn)振動現(xiàn)象。國內(nèi)外大型水電站廠房結(jié)構(gòu)的振動現(xiàn)象比較普遍,例如,國內(nèi)某水電站(4×302.5 MW)由于在設(shè)計之初未重視廠房結(jié)構(gòu)振動,整個工程運行后水位上升,機(jī)組和廠房結(jié)構(gòu)都出現(xiàn)了強(qiáng)烈振動,并曾使安裝在樓板上的控制儀器誤動而引起機(jī)組誤停機(jī)事故[1]。紅石水電站(單機(jī)容量50 MW)投產(chǎn)以來機(jī)組振動大,尤其是在空載無勵磁、空載有勵磁以及負(fù)荷38 MW以下區(qū)域振動相當(dāng)嚴(yán)重,因此機(jī)組不能進(jìn)行調(diào)峰,主要表現(xiàn)為大軸擺度過大、噪聲大,機(jī)組段之間橫縫逐年增大,廠房四周墻體出現(xiàn)周邊裂縫[2]。隨著我國水電事業(yè)的快速發(fā)展,水電站單機(jī)容量急劇加大,機(jī)組振動問題越來越為人們所關(guān)注。當(dāng)機(jī)墩結(jié)構(gòu)發(fā)生變形時,機(jī)組的軸線會發(fā)生偏移和傾斜,軸承間隙發(fā)生一定的變化,若支撐剛度不足,導(dǎo)致偏移過大會影響機(jī)組的安全穩(wěn)定運行[3]。機(jī)墩作為發(fā)電機(jī)組的支撐結(jié)構(gòu),受到各種靜荷載和動荷載的作用,且邊界約束復(fù)雜,其動力特性問題需要重點關(guān)注。

目前針對機(jī)組荷載作用下的機(jī)墩振幅計算存在諸多問題:①機(jī)組實際振動荷載難以獲得,通常根據(jù)規(guī)范取值,但是按規(guī)范取值的振動荷載包含各種設(shè)備的重力,所以要比實際振動荷載大許多;②現(xiàn)行SL 266—2001《水電站廠房設(shè)計規(guī)范》[4](以下簡稱《規(guī)范》)沒有對有限元數(shù)值模型的取值范圍給出建議,實際計算中存在數(shù)值模型取值范圍不明確的問題;③振動荷載的實際振動頻率不明確,目前較為普遍的做法是將振動荷載的振動頻率視為機(jī)組轉(zhuǎn)頻或水力沖擊頻率等,這樣的處理帶有人為控制的因素。本文將重點研究數(shù)值模型的取值范圍對機(jī)墩振幅計算結(jié)果的影響。

1 有限元數(shù)值模型

本文以某電站地下廠房中間的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段為研究對象,其沿廠房縱軸線方向的長度為33.8m,寬度為27.0 m。廠房高度是從尾水管底板開挖高程1437.45 m至發(fā)電機(jī)層樓面高程1 480.70 m,總高度為43.25 m。為了考慮廠房圍巖對整體結(jié)構(gòu)的影響,模型在高程1437.45m以下還取了7m深的基巖。有限元數(shù)值模型包括座環(huán)、鋼蝸殼、尾水管和機(jī)井里襯,鋼蝸殼、尾水管外圍混凝土以及廠房各層樓板、邊墻、立柱、梁格等結(jié)構(gòu)均按實際體型尺寸進(jìn)行模擬。

廠房混凝土結(jié)構(gòu)主要采用C25強(qiáng)度等級;廠房蝸殼采用ADB610D鋼板;尾水管的肘管、錐管采用Q235B鋼板;廠房機(jī)組周圍圍巖大部分為Ⅲ類巖體。廠房各部分的材料參數(shù)如表1所示,廠房整體數(shù)值模型如圖1所示。

表1 廠房各部分的材料參數(shù)

圖1 廠房整體數(shù)值模型示意圖

2 數(shù)值模型邊界條件

為了分析數(shù)值模型邊界條件對機(jī)墩動力特性的影響,擬定了6種邊界方案(A1～A6),各方案兩側(cè)混凝土邊界按自由面考慮,圍巖各邊界施加法向約束,底部施加全約束。

a.A1方案:水輪機(jī)層以下廠房混凝土與圍巖接觸面上節(jié)點施加法向彈性鏈桿,以上節(jié)點自由。

b.A2方案:水輪機(jī)層以下廠房混凝土與圍巖接觸面上節(jié)點施加法向和水平切向彈性鏈桿,以上節(jié)點自由。

c.A3方案:風(fēng)罩壁厚增大到1.0 m,其他條件同A2方案。

d.A4方案:風(fēng)罩壁厚增大到1.2 m,其他條件同A2方案。

e.A5方案:水輪機(jī)層以上廠房混凝土與圍巖接觸面上節(jié)點施加法向彈性鏈桿,水輪機(jī)層以下條件同A2方案。

f.A6方案:水輪機(jī)層以上廠房混凝土與圍巖接觸面上節(jié)點施加法向和水平切向彈性鏈桿,水輪機(jī)層以下條件同A2方案。

各方案的廠房振動基頻和風(fēng)罩起振頻率的計算結(jié)果如表2所示。從表2可以看出,隨著混凝土周圍彈性支撐的不斷增強(qiáng),風(fēng)罩的起振頻率呈現(xiàn)出增大趨勢,特別是當(dāng)發(fā)電機(jī)樓板和立柱的彈性支撐增強(qiáng)時,風(fēng)罩的起振頻率增幅明顯,即A5方案比A2方案增加8.9%,這是因為風(fēng)罩四周的約束主要依靠與各層樓板的連接,因此當(dāng)樓板的約束增強(qiáng)時,機(jī)墩風(fēng)罩的剛度相應(yīng)會增大,自振頻率也增大。另外,增加風(fēng)罩壁厚可以在一定程度上增大風(fēng)罩起振頻率,但是效果并不顯著。

表2 廠房振動基頻和風(fēng)罩起振頻率計算結(jié)果 Hz

3 機(jī)墩振幅計算方法

目前,《規(guī)范》規(guī)定的機(jī)墩振幅計算方法主要有結(jié)構(gòu)力學(xué)解析法、擬靜力法和動力法?！兑?guī)范》認(rèn)為機(jī)墩底部為固定端,頂部為自由端,不考慮樓板剛度的作用,按照圓筒式機(jī)墩進(jìn)行計算。擬靜力法是將發(fā)電機(jī)的動荷載乘以動力系數(shù)(1.5)后作為靜荷載施加到廠房結(jié)構(gòu)上,不考慮其他靜荷載的作用,以擬靜力計算的位移作為機(jī)墩的振幅。動力法包括諧響應(yīng)分析法和時間歷程分析法,通過動力有限元確定某個特定激勵頻率下的振幅[5]。

《規(guī)范》規(guī)范明確了水輪發(fā)電機(jī)組運行時所產(chǎn)生的振動荷載由以下3部分組成:①垂直振動荷載,包括發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子帶軸重力、水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪帶軸重力、軸向水平推力、各種事故工況的豎向振動分力等;②水平振動荷載,包括不均勻磁拉力和機(jī)組偏心離心力等;③發(fā)電機(jī)扭矩,分正常扭矩和短路扭矩兩種,在發(fā)電機(jī)運轉(zhuǎn)時,以切向力的形式通過定子及機(jī)架基礎(chǔ)作用在機(jī)墩上。

《規(guī)范》給出的振動荷載偏大,秦亮[6]通過原型觀測數(shù)據(jù)并結(jié)合三維有限元計算進(jìn)行反饋分析,認(rèn)為《規(guī)范》的垂向計算動荷載值偏大。

《規(guī)范》明確規(guī)定了水電站廠房的機(jī)墩振幅控制標(biāo)準(zhǔn):垂直振幅長期組合不大于0.10 mm,短期組合不大于0.15 mm;水平橫向和扭轉(zhuǎn)振幅之和長期組合不大于0.15 mm,短期組合不大于0.20 mm。

4 數(shù)值模型取值范圍

本文主要分析有限元數(shù)值模型取值范圍對機(jī)墩振幅的影響,故機(jī)組振動荷載仍然按照《規(guī)范》要求取值,機(jī)組振動荷載的振動頻率取機(jī)組額定工況的轉(zhuǎn)頻2.382Hz,按照諧響應(yīng)分析方法進(jìn)行計算,具體的機(jī)組振動荷載見表3。

表3 額定工況的機(jī)組振動荷載 kN

根據(jù)《規(guī)范》計算得到機(jī)墩垂直振幅為0.024 mm;水平橫向與扭轉(zhuǎn)振幅之和為0.008 mm。為研究有限元數(shù)值模型取值范圍對振幅計算結(jié)果的影響,擬定以下4個模型取值范圍方案:

a.B1方案,建立廠房整體數(shù)值模型(圖1),約束條件見A1方案。

b.B2方案,建立蝸殼層底部以上的廠房結(jié)構(gòu)模型,不考慮尾水管及底部圍巖,底部施加全約束。

c.B3方案,建立水輪機(jī)層樓板以上的廠房結(jié)構(gòu)模型,不考慮蝸殼、尾水管和底部圍巖,底部施加全約束。

d.B4方案,建立機(jī)墩、風(fēng)罩的單獨結(jié)構(gòu)模型,不考慮廠房其他部位,底部施加全約束。

B2、B3、B4方案的數(shù)值模型如圖2所示,不同方案的機(jī)墩、風(fēng)罩典型部位最大振幅計算結(jié)果見表4。由表4可知,隨著有限元數(shù)值模型取值范圍的不斷縮小,各結(jié)構(gòu)部位的最大垂直振幅呈逐漸減小的趨勢,說明廠房下部結(jié)構(gòu)及底部圍巖的變形對機(jī)墩、風(fēng)罩和樓板的振幅有很大的影響。

B4方案因為是機(jī)墩、風(fēng)罩的單獨模型,沒有考慮板、梁、柱在機(jī)墩四周的支撐作用,因此該模型的整體剛度要小,在相同荷載作用下,B4方案機(jī)墩、風(fēng)罩的各向振幅均大于B3方案。

圖2 B2、B3、B4方案數(shù)值模型示意圖

表4 機(jī)墩、風(fēng)罩典型部位最大振幅計算結(jié)果 mm

4種方案機(jī)墩、風(fēng)罩的最大水平橫向與扭轉(zhuǎn)振幅之和均沒有超過《規(guī)范》控制標(biāo)準(zhǔn);B1方案機(jī)墩、風(fēng)罩的最大垂直振幅均超過《規(guī)范》控制標(biāo)準(zhǔn);B2方案的下機(jī)架基礎(chǔ)最大垂直振幅超過《規(guī)范》控制標(biāo)準(zhǔn);B3方案和B4方案機(jī)墩、風(fēng)罩最大垂直振幅均沒有超過《規(guī)范》控制標(biāo)準(zhǔn)。這說明采用動力有限元諧響應(yīng)分析方法計算機(jī)墩結(jié)構(gòu)振幅時,不同的模型取值范圍會給計算結(jié)果帶來實質(zhì)性影響。

5 結(jié) 論

a.水電站地下廠房圍巖邊界對內(nèi)部混凝土結(jié)構(gòu)約束強(qiáng)度的增大,有利于提高廠房整體的剛度,對機(jī)墩的抗振也有利,但風(fēng)罩壁厚的增加對機(jī)墩、風(fēng)罩抗振能力的增強(qiáng)效果不顯著。實際工程中,應(yīng)當(dāng)保證地下廠房混凝土與圍巖的黏結(jié)強(qiáng)度,以增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗振能力。

b.采用動力諧響應(yīng)分析方法計算機(jī)墩振幅時,數(shù)值模型范圍的大小對計算結(jié)果影響較大,取多大范圍的數(shù)值模型進(jìn)行機(jī)墩振幅的驗算目前尚無定論,需要《規(guī)范》制定者進(jìn)行相關(guān)的調(diào)研統(tǒng)計,然后給出指導(dǎo)性的建議。

c.有限元整體模型能夠更為真實地反映工程實際情況,機(jī)墩振幅計算分析時建議采用廠房整體模型,但按《規(guī)范》采用的振動荷載偏大甚至不太合理,需通過進(jìn)一步的理論分析、模型試驗和現(xiàn)場觀測來進(jìn)行研究和論證。

[1]歐陽金惠,張超然,陳厚群,等.巨型水電站廠房振動預(yù)測研究[J].土木工程學(xué)報,2008,41(2):100-104. (OUYANG Jinhui,ZHANG Chaoran,CHEN Houqun,et al. Prediction of the vibration of giant-cale hydropower houses [J].China Civil Engineering Journal,2008,41(2):100-104.(in Chinese))

[2]宋恩來.紅石水電站廠房振動及其加固研究[J].東北電力技術(shù),2003(1):4-9.(SONG Enlai.Research on the building vibration and reinforcement of Hongshi Hydroelectric Generating Station[J].Northeast Electric Power Technology,2003(1):4-9.(in Chinese))

[3]宋志強(qiáng),馬震岳,張運良,等.小灣水電站機(jī)墩結(jié)構(gòu)剛度分析[J].水電能源科學(xué),2008,26(1):119-122.(SONG Zhiqiang,MA Zhenyue,ZHANG Yunliang,et al.Stiffness analysis of composite turbine pier structure of Xiaowan Power Station[J].Water Resources and Power,2008,26 (1):119-122.(in Chinese))

[4]SL 266—2001 水電站廠房設(shè)計規(guī)范[S].

[5]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(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版,2004,26(2):111-115. (MA Zhenyue,CHEN Jing,LIU Zhiming,et al.Vibration analysis of powerhouse of Three Gorges Hydropower Station [J].Journal of China Three Gorges University:Natural Sciences,2004,26(2):111-115.(in Chinese))

[6]秦亮.雙排機(jī)水電站廠房結(jié)構(gòu)動力分析與識別[D].天津:天津大學(xué),2005.

Research on range of numerical model for calculating amplitude of generator pier of underground powerhouse//

CHEN Peng1,2,WU Hegao1,YUAN Wenna1
(1.State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science,Wuhan University,Wuhan 430072;2.Hydrochina Huadong Engineering Corporation,Hangzhou 310014)

A 3D numerical model was set to analyze the influence of different rock boundary conditions on the dynamic characteristics of generator pier and the influence of different ranges of numerical model on the amplitude of generator pier. The results show that the enhancement of elastic support of hydropower house's boundary is beneficial to the anti-vibration of generator pier and ventilation barrel.The increase in thickness of ventilation barrel has less contribution to enhance the anti-vibration ability of generator pier.When harmonic response method is used to check the amplitude of generator pier, the range of numerical model has great influence on the result.The integral model of the powerhouse is suggested to be adopted for calculating the amplitude of generator pier.However,the vibration loads,recommended by the present specification,need further clarifications.

underground powerhouse;generator pier;hydropower station;dynamic characteristics;amplitude of generator;mumerical model

TV731

:A

:1006-7647(2014)04-0016-04

10.3880/j.issn.1006-7647.2014.04.004

2013-0624 編輯:周紅梅)

國家自然科學(xué)基金(51179141)

陳鵬(1988—),男,山東淄博人,碩士研究生,主要從事水電站壓力管道與地下工程研究。E-mail:shuyu1227@foxmail.com

伍鶴皋(1964—),男,江西宜豐人,教授,主要從事水電站壓力管道與地下工程研究。E-mail:wbf1988@vip.sina.com