黃 鵬 伍鶴皋 余曉華 劉 靜

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072； 2. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 西安 710065)

影響水電站墊層蝸殼結(jié)構(gòu)自振特性的若干因素分析

黃 鵬1伍鶴皋1余曉華2劉 靜2

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 武漢 430072； 2. 中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司， 西安 710065)

本文采用ANSYS軟件對某水電站地下廠房蝸殼結(jié)構(gòu)自振特性進(jìn)行了分析，研究了水電站墊層蝸殼結(jié)構(gòu)中墊層平面鋪設(shè)范圍、墊層老化性能、水體質(zhì)量、水壓力膨脹作用等因素對結(jié)構(gòu)自振特性的影響．研究結(jié)果表明：墊層未老化時(shí)，墊層平面鋪設(shè)范圍、水體質(zhì)量和水壓力膨脹作用對蝸殼結(jié)構(gòu)自振頻率影響不明顯；當(dāng)墊層老化形成較大的縫隙并考慮流道內(nèi)水體質(zhì)量時(shí)，鋼蝸殼和混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率會(huì)明顯減小，而由于內(nèi)水壓力膨脹作用使得鋼蝸殼剛度的增加則會(huì)提高結(jié)構(gòu)的自振頻率，對結(jié)構(gòu)抗振有利．因此在墊層蝸殼設(shè)計(jì)時(shí)一定要重視墊層材料的選擇，確保其力學(xué)性能不因時(shí)間而改變．

水電站蝸殼； 自振特性； 水體質(zhì)量； 水壓膨脹； 墊層老化； 墊層平面鋪設(shè)范圍

隨著近二十年來國內(nèi)大型水電站項(xiàng)目的高速發(fā)展，通過數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)以及原型觀測等研究手段，我國對水輪機(jī)蝸殼埋入方式的研究取得了豐富的成果[1-2]．工程實(shí)踐中最常用的有墊層蝸殼、充水保壓蝸殼、直埋蝸殼．傳統(tǒng)意義上的墊層蝸殼是指墊層平面鋪設(shè)范圍從引水鋼管進(jìn)入廠房后的蝸殼進(jìn)口鋪設(shè)至270°斷面附近，但有學(xué)者考慮到蝸殼外圍混凝土的受力特性和廠房整體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性以及墊層的施工復(fù)雜性[3]，提出了減小墊層的平面鋪設(shè)范圍的做法[4-5]，并做了大量的靜力計(jì)算．研究證明：墊層平面鋪設(shè)范圍的減小是可行的．但水電站在實(shí)際運(yùn)行中還應(yīng)考慮廠房振動(dòng)問題，當(dāng)廠房的激振頻率與結(jié)構(gòu)自振頻率相近時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生共振，從而危及水電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行[6-8]，因此需要對廠房和蝸殼結(jié)構(gòu)的自振特性做一定的研究．文獻(xiàn)[9]研究了墊層彈性模量、墊層包角對鋼蝸殼自振特性的影響，文獻(xiàn)[10]研究了墊層老化失效對廠房整體結(jié)構(gòu)自振頻率的影響，但在水電站正常運(yùn)行工況下還應(yīng)考慮流道內(nèi)水體質(zhì)量和水壓力作用膨脹對鋼蝸殼剛度的影響，對這些方面的研究有待進(jìn)一步開展．

本文利用ANSYS軟件自帶的質(zhì)量單元(MASS21)模擬流道內(nèi)水體質(zhì)量，采用預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析方法模擬水壓力作用膨脹對鋼蝸殼剛度的增強(qiáng)效果，繼而研究其對蝸殼結(jié)構(gòu)自振特性的影響．結(jié)合某設(shè)置墊層蝸殼的實(shí)際工程廠房結(jié)構(gòu)采用“無質(zhì)量地基”方法分別對鋼蝸殼和混凝土結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行了模態(tài)分析，即將除所計(jì)算的局部結(jié)構(gòu)外的其余結(jié)構(gòu)質(zhì)量均賦為零，使其為計(jì)算的局部結(jié)構(gòu)提供“邊界條件”，從墊層老化與否、水體質(zhì)量、水壓力、墊層平面鋪設(shè)范圍等方面對水電站廠房結(jié)構(gòu)自振特性展開分析和討論，可以為墊層蝸殼合理選取墊層平面鋪設(shè)范圍等參數(shù)提供一定的參考．

1 計(jì)算模型和條件

某水電站地下廠房單機(jī)容量330 MW，蝸殼設(shè)計(jì)內(nèi)水壓力1.2 MPa．本文以標(biāo)準(zhǔn)2號(hào)機(jī)組段為研究對象，按廠房各結(jié)構(gòu)的實(shí)際尺寸建立三維有限元模型．地下廠房上、下游圍巖對廠房混凝土結(jié)構(gòu)的約束采用彈簧單元combine14模擬，機(jī)組段左右兩側(cè)廠房分縫邊界按自由面考慮，蝸殼進(jìn)口施加管軸向約束，計(jì)算模型范圍的圍巖底部施加固端約束．

水體附加質(zhì)量根據(jù)流道內(nèi)的水體體積乘以密度再平均施加到鋼蝸殼和尾水管鋼襯節(jié)點(diǎn)上，材料參數(shù)見表1，整體計(jì)算模型如圖1所示．

表1 計(jì)算模型材料參數(shù)

圖1 整體有限元模型(單位：m)

根據(jù)工程上最常采用的兩種墊層平面鋪設(shè)范圍(如圖2所示)，共擬定了蝸線方向由直管段進(jìn)口斷面鋪至45°斷面處和270°斷面處兩個(gè)方案，墊層厚度均為30 mm，子午斷面內(nèi)墊層內(nèi)側(cè)距座環(huán)頂部圓心角20°，外側(cè)至蝸殼腰部(安裝高程)，墊層材料未老化時(shí)動(dòng)彈性模量為3.25 MPa，老化后按最不利考慮動(dòng)彈性模量取為0.001 3 MPa．

圖2 墊層設(shè)置范圍

墊層平面鋪設(shè)范圍為45°時(shí)對鋼蝸殼和混凝土以及廠房整體結(jié)構(gòu)自振頻率的計(jì)算方案見表2，墊層平面鋪設(shè)范圍為270°斷面時(shí)計(jì)算方案類似，只是編號(hào)時(shí)將45用270代替．

表2 墊層包角45°時(shí)計(jì)算方案

續(xù)表2 墊層包角45°時(shí)計(jì)算方案

2 鋼蝸殼自振特性

采用“無質(zhì)量地基”方法對鋼蝸殼單獨(dú)進(jìn)行了自振特性分析，即將除鋼蝸殼外的其余結(jié)構(gòu)質(zhì)量均賦為零，彈模和泊松比保持不變，使其為計(jì)算的鋼蝸殼結(jié)構(gòu)提供“邊界條件”．

2.1 墊層老化的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理了鋼蝸殼在管空、管滿1、管滿2三種計(jì)算工況下的自振頻率與墊層老化與否和墊層鋪設(shè)范圍的關(guān)系，如圖3所示．從圖中可以看出：對于管空工況，墊層老化會(huì)略微降低鋼蝸殼的自振頻率，墊層平面鋪設(shè)范圍45°方案的自振頻率始終略大于270°方案；對于管滿1工況，墊層老化會(huì)明顯降低鋼蝸殼的自振頻率，基頻由9.2 Hz降低到3.6 Hz；對于管滿2工況，墊層未老化時(shí)，由于內(nèi)水壓力的作用，270°方案的鋼蝸殼自振頻率明顯大于45°方案，墊層老化時(shí)，兩個(gè)方案的低階自振頻率相近，高階自振頻率45°方案大于270°方案．

圖3 鋼蝸殼自振頻率

2.2 水體質(zhì)量和水壓力的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理了兩種墊層鋪設(shè)范圍下鋼蝸殼在墊層老化與否的自振頻率與水體質(zhì)量和水壓力的關(guān)系，如圖4所示．從圖中可以看出：墊層未老化時(shí)，在流道中增加水體質(zhì)量會(huì)略微減小鋼蝸殼自振頻率，考慮內(nèi)水壓力預(yù)應(yīng)力作用對鋼蝸殼剛度的加強(qiáng)會(huì)明顯增加鋼蝸殼的自振頻率，45°方案基頻由9.3 Hz增加到11.6 Hz，270°方案基頻由9.2 Hz增加到13.03 Hz；墊層老化時(shí)，在流道中增加水體質(zhì)量會(huì)明顯降低鋼蝸殼自振頻率，基頻由9.2 Hz降低到3.6 Hz，再考慮內(nèi)水壓力的預(yù)應(yīng)力作用相對管滿1工況低階頻率增加不明顯，但高階頻率明顯增加．

圖4 鋼蝸殼自振頻率

3 混凝土結(jié)構(gòu)自振特性

同樣的，采用“無質(zhì)量地基”方法對混凝土結(jié)構(gòu)單獨(dú)進(jìn)行了自振特性分析，即將除混凝土外的其余結(jié)構(gòu)質(zhì)量均賦為零，彈模和泊松比保持不變，使其為計(jì)算的混凝土結(jié)構(gòu)提供“邊界條件”．

3.1 墊層老化的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可以看出，整理了混凝土結(jié)構(gòu)在3種計(jì)算工況下的自振頻率與墊層老化與否和墊層鋪設(shè)范圍的關(guān)系，如圖5所示．從圖中可以看出：對于管空工況，墊層老化與否和墊層平面鋪設(shè)范圍均對混凝土結(jié)構(gòu)自振頻率基本無影響；對于管滿1工況，墊層老化會(huì)明顯降低混凝土的自振頻率，基頻由9.3 Hz降低到3.8Hz，45°方案高階頻率略大于270°方案；對于管滿2工況，墊層老化會(huì)明顯降低混凝土的自振頻率，基頻由9.3 Hz降低到6.4 Hz．墊層未老化時(shí)3種工況下混凝土結(jié)構(gòu)的第1階振型均為廠房立柱、樓板等上部結(jié)構(gòu)沿廠房縱軸線方向振動(dòng)；墊層老化后管空工況廠房立柱、樓板等上部結(jié)構(gòu)的振型出現(xiàn)在第1階，管滿1工況出現(xiàn)在第9階，管滿2工況出現(xiàn)在第4階．因此墊層老化與否的3種工況下廠房上部結(jié)構(gòu)的自振頻率相差不大，即墊層老化性能、水體質(zhì)量和水壓力等因素對廠房上部結(jié)構(gòu)自振特性的影響不大．

圖5 混凝土自振頻率

3.2 水體質(zhì)量和水壓力的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理了兩種墊層鋪設(shè)范圍下混凝土在墊層老化與否的自振頻率與水體質(zhì)量和水壓力的關(guān)系，如圖6所示．

圖6 混凝土自振頻率

從圖中可以看出：墊層未老化時(shí)，考慮蝸殼中水體質(zhì)量會(huì)引起混凝土低階頻率略微減小，高階頻率明顯減?。辉倏紤]蝸殼內(nèi)水壓力的預(yù)應(yīng)力作用后，管滿2工況的混凝土自振頻率會(huì)有一定的增大，但低階頻率比較相近．墊層老化時(shí)，考慮蝸殼中水體質(zhì)量會(huì)明顯降低混凝土自振頻率，基頻由10.7 Hz降低到3.8 Hz，再考慮蝸殼內(nèi)水壓力的預(yù)應(yīng)力作用后，相對管滿1工況頻率明顯增加，基頻由3.8Hz增加到6.4Hz．

4 整體結(jié)構(gòu)自振特性

4.1墊層老化的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理了廠房整體結(jié)構(gòu)在3種計(jì)算工況下的自振頻率與墊層老化與否和墊層鋪設(shè)范圍的關(guān)系，如圖7所示．從圖中可以看出：對于管空工況，墊層老化會(huì)略微降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，影響不大；對于管滿1工況，墊層老化明顯降低結(jié)構(gòu)的自振頻率，基頻由9.2Hz降低到3.6 Hz；對于管滿2工況，270°方案的整體結(jié)構(gòu)自振頻率明顯大于45°方案，墊層老化明顯降低結(jié)構(gòu)的自振頻率．

圖7 整體結(jié)構(gòu)自振頻率

4.2 水體質(zhì)量和水壓力的影響

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，整理了兩種墊層鋪設(shè)范圍下廠房整體結(jié)構(gòu)在墊層老化與否的自振頻率與水體質(zhì)量和水壓力的關(guān)系，如圖8所示．從圖中可以看出：墊層未老化時(shí)，廠房整體結(jié)構(gòu)自振頻率主要由鋼蝸殼引起的，水體質(zhì)量和水壓力對整體結(jié)構(gòu)自振頻率的影響與對鋼蝸殼的影響類似，但水體質(zhì)量和水壓力對整體結(jié)構(gòu)基頻影響不大，基頻均為9.2 Hz左右．墊層老化時(shí)，廠房整體結(jié)構(gòu)自振頻率主要由鋼蝸殼和混凝土共同影響，考慮蝸殼中水體質(zhì)量會(huì)明顯降低整體結(jié)構(gòu)自振頻率，基頻由9.2 Hz降低到3.6 Hz，再考慮蝸殼內(nèi)水壓力的預(yù)應(yīng)力作用后，相對管空工況低階頻率仍然是降低的，基頻由9.2 Hz降低到6.0 Hz，但高階頻率比管空有一定增加．

圖8 整體結(jié)構(gòu)自振頻率

5 結(jié) 語

本文結(jié)合某大型水電站地下廠房工程實(shí)際，針對墊層平面鋪設(shè)范圍、墊層老化性能、水體質(zhì)量和水壓力等影響因素，采用ANSYS軟件對蝸殼結(jié)構(gòu)的自振頻率和模態(tài)進(jìn)行了分析．結(jié)果表明：當(dāng)電站剛建成墊層未老化時(shí)，墊層平面包角、水體質(zhì)量和水壓力對鋼蝸殼、混凝土結(jié)構(gòu)以及整體廠房結(jié)構(gòu)基頻影響不大；而當(dāng)電站多年運(yùn)行墊層老化后在鋼蝸殼與混凝土之間形成較大縫隙時(shí)，蝸殼內(nèi)水體質(zhì)量將明顯降低鋼蝸殼、混凝土結(jié)構(gòu)以及整體廠房結(jié)構(gòu)的自振頻率，此時(shí)較大的墊層平面包角也會(huì)進(jìn)一步降低結(jié)構(gòu)自振頻率；由于蝸殼內(nèi)水壓力膨脹作用引起的鋼蝸殼剛度增大，將使鋼蝸殼等結(jié)構(gòu)自振頻率有所提高，對結(jié)構(gòu)抗振更為有利．由此可見，墊層蝸殼的抗振特性很大程度上依賴于墊層材料的長久穩(wěn)定性，在墊層材料選擇設(shè)計(jì)時(shí)必須予以重視．

[1] 張啟靈，伍鶴皋，黃小燕，等．大型水電站不同埋設(shè)方式蝸殼結(jié)構(gòu)分析[J]．水力發(fā)電學(xué)報(bào)，2009，28(3):85-90．

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AnalysisofSeveralFactorsAffectingNaturalVibrationCharacteristicsofSpiralCasewithCushionLayersofHydropowerStation

Huang Peng1Wu Hegao1Yu Xiaohua2Liu Jing2

(1. State Key Laboratory of Water Resources & Hydropower Engineering Science, Wuhan Univ., Wuhan 430072, China; 2. Powerchina Northwest Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

The natural vibration characteristics of spiral case will cushion layers of a underground powerhouse of hydropower station are analyzed by using the ANSYSsoftware to study the effects of the plane laying scope of cushion layer, cushion layer aging performance, water quality and hydraulic pressure expansion. The results show that when the cushion layer is unaging, the cushion laying scope, water quality and hydraulic pressure expansion have no significant influence on the natural vibration frequency of spiral case structure. However, the formation of large gap due to cushion layer aging and considering the water quality in the flow channel obviously reduces the natural vibration frequency of the steel spiral case and the concrete structure; but the increase of stiffness of steel spiral case due to hydraulic pressure expansion increases the natural vibration frequency, which is favorable for the structure anti-vibration. Therefore, it is necessary to pay attention to the choice of the cushion material for spiral case to ensure that its mechanical properties do not change with time.

spiral case of hydropower station; naturel vibration characteristics; water quality; hydraulic pressure expansion; cushion layer aging; cushion laying scope

10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2017.05.008

2016-12-31

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51679175)

伍鶴皋(1964-)，男，教授，博士，研究方向?yàn)樗娬緣毫艿馈S房結(jié)構(gòu)．E-mail：wbf1988@vip.sina.com

TV731

A

1672-948X(2017)05-0038-05

[責(zé)任編輯王迎春]