肖 燁,丁曉唐

(1.東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330013; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

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淮安三站結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性及抗振分析

肖 燁1,丁曉唐2

(1.東華理工大學(xué)建筑工程學(xué)院,江西 南昌 330013; 2.河海大學(xué)土木與交通學(xué)院,江蘇 南京 210098)

為分析淮安三站的結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性及成因,采用有限元?jiǎng)恿Ψ治龇椒?根據(jù)燈泡貫流式泵站的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),建立三維有限元模型,深入分析了淮安三站結(jié)構(gòu)的自振特性、動(dòng)力響應(yīng)及振動(dòng)成因,并針對(duì)振動(dòng)問題進(jìn)行了抗振減振措施研究。結(jié)果表明:淮安三站振動(dòng)主要成因?yàn)橄虏拷Y(jié)構(gòu)與水流脈動(dòng)壓力發(fā)生共振,在水流脈動(dòng)壓力作用下淮安三站泵房結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的動(dòng)位移較大,基本接近建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許位移值標(biāo)準(zhǔn);通過增加泵房樓板厚度和加大梁截面尺寸等措施可達(dá)到抗振減振的目的。

燈泡貫流泵站;振動(dòng)特性;脈動(dòng)壓力;動(dòng)位移;淮安三站

振動(dòng)是泵站運(yùn)行中最為常見的問題,直接影響機(jī)組的安全運(yùn)行。泵站的振動(dòng)問題一直受到人們的重視,但泵站的振動(dòng)問題十分復(fù)雜,很難精確地對(duì)其進(jìn)行定量分析。大型燈泡貫流式泵站在國(guó)內(nèi)運(yùn)用還不是很成熟,目前淮安第三抽水泵站(淮安三站)是江蘇省乃至全國(guó)建設(shè)時(shí)間最早、建設(shè)規(guī)模最大的貫流式泵站,投入運(yùn)行后,機(jī)組和泵房出現(xiàn)了比較劇烈的振動(dòng),且有進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì),在一定程度上影響了泵站的正常運(yùn)行,如何正確分析和降低燈泡貫流泵站的振動(dòng)問題尤為重要。近年來研究人員開始對(duì)燈泡貫流泵站的振動(dòng)計(jì)算進(jìn)行了定量的分析研究,如李玉瑩等[1]以南水北調(diào)東線工程二級(jí)壩泵站為例,給出了適合泵站振動(dòng)計(jì)算的定量分析方法;王新等[2]通過三維有限元數(shù)值模擬對(duì)淮陰三站泵房振動(dòng)進(jìn)行了分析,研究了泵房的自振特性,并采用諧響應(yīng)分析法計(jì)算了泵房的振動(dòng)響應(yīng);邢磊等[3]以淮陰三站工程為例,結(jié)合泵站結(jié)構(gòu)的自振特性進(jìn)行抗振安全度評(píng)價(jià),得出水力振源遠(yuǎn)高于上部廠房的基頻時(shí),可避免引發(fā)泵站結(jié)構(gòu)共振;趙路靜等[4]采用大型有限元軟件ADINA建立三維流固耦合有限元模型,對(duì)立式軸流泵站進(jìn)行了自振特性分析及共振校核,并進(jìn)行了振動(dòng)安全評(píng)價(jià);李四海等[5]以國(guó)內(nèi)某大型豎井貫流泵站為例,研究了豎井貫流式機(jī)組振動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)理,對(duì)壓力脈動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。目前水電站廠房和機(jī)組的振動(dòng)研究已經(jīng)比較成熟,如歐陽(yáng)金惠等[6]對(duì)三峽水電站主廠房進(jìn)行了振動(dòng)分析,并對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)振動(dòng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,將測(cè)試結(jié)果與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析;馬震岳等[7]對(duì)紅石水電站機(jī)組振動(dòng)誘發(fā)廠房振動(dòng),造成廠房立柱開裂進(jìn)行了研究,通過系統(tǒng)的數(shù)值分析與試驗(yàn)研究,認(rèn)為振源為機(jī)組與廠房共振,在此基礎(chǔ)上提出了廠房抗振加固方案;陳婧等[8]研究了模型水輪機(jī)在水流脈動(dòng)壓力作用下的頻域和時(shí)域特征,采用動(dòng)力時(shí)程分析法計(jì)算了結(jié)構(gòu)在脈動(dòng)壓力作用下的動(dòng)力反應(yīng),探討了脈動(dòng)壓力不同分布特性對(duì)振動(dòng)強(qiáng)度的影響,借鑒國(guó)內(nèi)外相關(guān)振動(dòng)規(guī)程,對(duì)水電站廠房的振動(dòng)進(jìn)行了評(píng)價(jià);張燎軍等[9]以一水電站廠房為例,建立廠房全流道湍流整體結(jié)構(gòu)流固耦合仿真模型,進(jìn)行了時(shí)程振動(dòng)分析,揭示了水電站廠房的整體振動(dòng)規(guī)律。本文借鑒已有燈泡貫流式泵站和水電站振動(dòng)研究的理論和方法,采用有限元數(shù)值分析方法來分析淮安三站的振動(dòng)特性和振動(dòng)成因,并針對(duì)振動(dòng)問題研究抗振減振措施。

1 自振特性計(jì)算分析

1.1 計(jì)算模型及材料參數(shù)

建立如圖1所示的有限元模型,上部結(jié)構(gòu)包括屋面梁與泵房柱組成的排架結(jié)構(gòu)以及吊車梁等,采用Beam4單元進(jìn)行離散。下部結(jié)構(gòu)自下至上包括底板、進(jìn)出水流道、廊道、輔機(jī)層、主泵房地面層、上下游胸墻及工作橋等,采用Solid45單元離散。地基底部和四周邊界均采用固定約束。為降低人工固定邊界的影響,考慮地基阻尼對(duì)振動(dòng)的耗散作用,根據(jù)工程地質(zhì)資料,取地基的阻尼比為0.2?；炷羷?dòng)彈性模量按靜彈性模量的1.3倍考慮[10],淮安三站泵站采用C25混凝土,動(dòng)彈性模量為36.4 GPa,泊松比為0.167,密度為2 500 kg/m3。

圖1 淮安三站有限元模型

1.2 計(jì)算結(jié)果分析

利用ANSYS進(jìn)行模態(tài)分析,前50階自振頻率和振型描述見表1。從表1可以看出:前40階振動(dòng)主要發(fā)生在上部廠房結(jié)構(gòu),這是因?yàn)樯喜繌S房結(jié)構(gòu)相對(duì)于泵房下部大體積塊體結(jié)構(gòu)剛度小很多,因此較容易發(fā)生振動(dòng);上部廠房結(jié)構(gòu)的基頻大概在1.28～1.61 Hz范圍內(nèi),而泵房下部結(jié)構(gòu)基頻在20.02～20.72 Hz之間,主要表現(xiàn)為泵房地面出現(xiàn)垂直方向上下振動(dòng)。從41階開始出現(xiàn)了以下部結(jié)構(gòu)為主的振型,這是因?yàn)楸梅康膭偠认鄬?duì)較小,所以在下部結(jié)構(gòu)中最容易發(fā)生振動(dòng)。

表1 淮安三站自振頻率和振型

2 振動(dòng)成因分析

引起泵站結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因主要有水力、機(jī)械和電氣等三方面因素,因機(jī)械和電氣振源引起的機(jī)械和電磁等不平衡力較小,故在設(shè)計(jì)過程中可不考慮,因此水力振源是引起機(jī)組和結(jié)構(gòu)振動(dòng)的主要振源[11]。水力振源主要來自于水流流過繞流體后所產(chǎn)生的漩渦誘發(fā)的脈動(dòng)壓力,水流脈動(dòng)壓力的頻率由轉(zhuǎn)輪葉片和導(dǎo)水葉片在單位時(shí)間內(nèi)相互作用而發(fā)生的脈動(dòng)次數(shù)決定,可按下式計(jì)算[12]:

(1)

式中:Z1、Z2分別為轉(zhuǎn)輪葉片數(shù)和導(dǎo)水葉數(shù);A為Z1、Z2的最大公約數(shù);nH為機(jī)組額定轉(zhuǎn)速,r/min。對(duì)于淮安三站,nH=136.4 r/min,Z1=4,Z2=8,A=4,由式(1)可計(jì)算得f=18.19 Hz。

由淮安三站振動(dòng)特性分析可知,下部結(jié)構(gòu)基頻在20.02～20.72 Hz之間,與水流脈動(dòng)壓力頻率18.19 Hz較接近,錯(cuò)開度小于5%,可能發(fā)生共振。由于水流脈動(dòng)壓力作用時(shí)間長(zhǎng),且水力振源直接作用在下部結(jié)構(gòu)流道,引起泵房樓板垂直方向上下振動(dòng),會(huì)影響操作人員的工作環(huán)境及工作效率,而下部結(jié)構(gòu)的振動(dòng)還會(huì)影響控制泵站運(yùn)行的機(jī)械儀器設(shè)備正常使用。下部結(jié)構(gòu)與脈動(dòng)壓力發(fā)生共振可能是導(dǎo)致淮安三站現(xiàn)有振動(dòng)問題的主要原因之一。

3 動(dòng)力響應(yīng)分析

在模態(tài)分析的基礎(chǔ)上,采用ANSYS諧響應(yīng)分析計(jì)算燈泡貫流泵站的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng),將水流脈動(dòng)壓力看成為該頻率范圍內(nèi)的簡(jiǎn)諧荷載,其幅值為脈動(dòng)壓力幅值,將它作用到相應(yīng)的流道區(qū)域;簡(jiǎn)諧分析采用模態(tài)疊加法,簡(jiǎn)諧荷載采用簡(jiǎn)諧正弦波的形式施加,初始相位均為零,簡(jiǎn)諧荷載頻率為18.19 Hz。計(jì)算得出水流脈動(dòng)壓力作用下的泵站結(jié)構(gòu)動(dòng)位移云圖如圖2所示。

表2 泵站下部結(jié)構(gòu)頻率與脈動(dòng)壓力頻率錯(cuò)開度

圖2 淮安三站結(jié)構(gòu)動(dòng)位移云圖

從圖2可以看出,泵房樓板處振動(dòng)反應(yīng)最大,最大動(dòng)位移為0.114 mm。現(xiàn)行GB 50265—2010《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》提出了對(duì)機(jī)墩結(jié)構(gòu)的共振、振幅和強(qiáng)度的控制標(biāo)準(zhǔn),對(duì)于臥式機(jī)組機(jī)墩只可進(jìn)行垂直振幅的驗(yàn)算,其最大垂直振幅不超過0.15 mm。但對(duì)于樓板等薄弱構(gòu)件,以及在脈動(dòng)壓力作用下的廠房振動(dòng)缺乏明確的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),馬震岳等[13]結(jié)合振動(dòng)對(duì)建筑物的影響評(píng)價(jià),參照國(guó)內(nèi)外有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)等方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),提出了確定廠房振動(dòng)控制合理標(biāo)準(zhǔn)的建議,即建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許位移為0.15～0.20 mm。因此淮安三站燈泡貫流泵站結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的動(dòng)位移較接近建筑結(jié)構(gòu)振動(dòng)允許位移值標(biāo)準(zhǔn),應(yīng)對(duì)泵房樓板處的振動(dòng)引起足夠的重視。

4 抗振減振措施

結(jié)合淮安三站工程具體情況,通過改變泵房樓板的厚度以及梁截面尺寸(原始設(shè)計(jì)尺寸為樓板厚0.20 m,梁截面尺寸為0.30 m×0.70 m)來分析淮安三站的抗振減振措施,有限元計(jì)算得出泵房下部結(jié)構(gòu)頻率與水流脈動(dòng)壓力兩者的頻率錯(cuò)開度如表2所示。

由表2分析可知,加大泵房樓板的厚度以及梁截面尺寸都可以提高結(jié)構(gòu)自振頻率,使其遠(yuǎn)離脈動(dòng)壓力頻率,避免結(jié)構(gòu)發(fā)生共振。較之原始泵房樓板和梁截面尺寸,當(dāng)板厚提高至0.25 m、梁截面尺寸加大至0.35 m×0.90 m以上時(shí),可使泵站結(jié)構(gòu)自振頻率錯(cuò)開脈動(dòng)壓力頻率超過20%,達(dá)到避免結(jié)構(gòu)共振的目的。

5 結(jié) 論

a. 淮安三站下部結(jié)構(gòu)基頻為20.02～20.72 Hz,與水流脈動(dòng)壓力頻率18.19 Hz較為接近,引起現(xiàn)存振動(dòng)問題的主要成因?yàn)橄虏拷Y(jié)構(gòu)與脈動(dòng)壓力發(fā)生共振,另由動(dòng)力響應(yīng)分析結(jié)果得知泵房樓板處振動(dòng)反應(yīng)最大,最大動(dòng)位移達(dá)0.114 mm,接近廠房振動(dòng)允許的限值。

b. 通過改變樓板厚度和加大梁截面尺寸等抗振減振措施可提高下部結(jié)構(gòu)的自振頻率,較之原始泵房樓板和梁截面尺寸,當(dāng)板厚提高至0.25 m、梁截面尺寸加大至0.35 m×0.90 m以上時(shí),可使泵站結(jié)構(gòu)自振頻率錯(cuò)開脈動(dòng)壓力頻率超過20%,從而使其遠(yuǎn)離水流脈動(dòng)壓力頻率,達(dá)到抗振減振的目的。

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Vibration characteristics and resistance of structures of Third Huaian Pumping Station

//XIAO Ye1, DING Xiaotang2

(1.FacultyofCivilandArchitectureEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Nanchang330013,China; 2.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to analyze the vibration characteristics and causes of structural vibration of the Third Huaian Pumping Station, a three-dimensional finite element model was established, using the finite element-based dynamic analysis method, according to the structural characteristics of the bulb tubular pumping station. The finite element model was used to analyze the self-vibration characteristics, dynamic responses, and causes of vibration; measures for vibration resistance and reduction were also studied. The results show that the main cause of vibration of the Third Huaian Pumping Station is the resonance vibration induced by the substructure and fluctuating pressures of water flow. Under fluctuating pressures of water flow, the structures of the Third Huaian Pumping Station show large dynamic displacements, approaching the maximum allowable displacement of architectural structures. Corresponding measures for resisting and reducing vibration were developed by increasing the floor thickness and beam section size of the pumping station.

bulb tubular pumping station; vibration characteristics; fluctuating pressure; dynamic displacement; Third Huaian Pumping Station

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.016

江西省教育廳科技計(jì)劃(GJJ4497)

肖燁(1982—),男,講師,碩士,主要從事結(jié)構(gòu)工程動(dòng)力分析研究。E-mail: xiaoyebora@163.com

TV675

A

1006-7647(2016)06-0086-04

2015-11-10 編輯：熊水斌)