葛 瑤

（陜西省水利電力勘測設(shè)計研究院，陜西 西安 710001）

1 前言

厚板結(jié)構(gòu)在廠房設(shè)計中鮮有用到，廠房設(shè)計采用梁、板結(jié)構(gòu)較多。雖然厚板結(jié)構(gòu)在布置上有很多優(yōu)勢：結(jié)構(gòu)設(shè)計相對簡潔，機、電設(shè)備的開孔位置及大小調(diào)整對樓板布置影響較小，便于施工，對于某些設(shè)備布置對空間要求高、而廠房高度尺寸略顯緊張的設(shè)備室可以增加其有效空間。但是這種布置方式對廠房整體結(jié)構(gòu)受力有何優(yōu)勢，需要進一步通過計算分析來確定。本文考慮到廠房跨度較大，純厚板結(jié)構(gòu)的板的厚度過厚，因此將厚板結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整為厚板加肋結(jié)構(gòu)。

2 計算方法

采用大型通用有限元軟件ANSYS 進行分析研究。其中結(jié)構(gòu)靜力分析采用線彈性本構(gòu)模型，采用整體模型SOLID65 單元進行模擬。單元應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的總剛度矩陣表達式為[1-2]：

式中：Nr為加固材料的數(shù)目；為加固物的體積率； ［DC］為混凝土的剛度矩陣。

動力分析采用模態(tài)分析法，模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)或機器部件的振動特性（固有頻率和振型），固有頻率和振型是承受動態(tài)何在結(jié)構(gòu)設(shè)計中的重要參數(shù)。結(jié)構(gòu)用有限單元離散化后的運動方程可表示為[3]：

式中：[M]、[C]、[K]為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{F（t）}為動力荷載；{u}為節(jié)點位移。

3 工程案例

某電站廠房屬2 級建筑物，主廠房內(nèi)布置2 臺立式混流式水輪發(fā)電機組和2 臺單級立軸混流式水泵水輪機組—發(fā)電電動機組，主機間由4 臺機組“一”列式布置，副廠房位于主廠房上游側(cè)，安裝間位于主機間一側(cè)，在安裝間上游側(cè)布置有供水閥室，閥室內(nèi)布置2 臺DN2000 減壓調(diào)流閥，并設(shè)一臺32/5 t 橋式起重機，單獨用于閥室內(nèi)工作（本文計算的是安裝間，工程概況著重對安裝間的布置及尺寸進行描述）。

安裝間是機組安裝和檢修時擺放、組裝和檢修主要部件的場地。安裝間結(jié)構(gòu)見圖1 和圖2。

圖1 厚板加肋結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 梁板結(jié)構(gòu)平面布置圖

梁板結(jié)構(gòu)與厚板加肋結(jié)構(gòu)的尺寸見表1。結(jié)構(gòu)物理學參數(shù)見表2。

表1 計算結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學參數(shù)

本文旨在研究兩種結(jié)構(gòu)在靜力與動力作用下的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢，故在計算中靜力計算參考《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》（SL 744-2016）中相關(guān)要求取樓面活荷載60 kN/m2；動力工況考慮模擬地震力作用，地震烈度為Ⅷ度，場地類別為三類，計算方法為振型分解反應(yīng)譜法，計算工況見表3。

表3 計算工況與荷載

建立安裝間整體結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真計算模型，模型的坐標原點取廠橫0-010.50 與廠縱0+000.00 交點安裝間結(jié)構(gòu)底部處。X 軸為廠縱方向，Y 軸為廠橫方向，Z 軸為鉛直向。計算模型采用solid 65 六面體塊單元。有限元模型見圖3，荷載分布見圖4。

圖3 有限元計算網(wǎng)格模型

圖4 荷載分布圖

4 結(jié)果分析

4.1 靜力計算結(jié)果分析

梁板結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 梁板結(jié)構(gòu)X 向應(yīng)力云圖

圖6 梁板結(jié)構(gòu)Y 向應(yīng)力云圖

圖7 梁板結(jié)構(gòu)Z 向應(yīng)力云圖

圖8 梁板結(jié)構(gòu)總位移云圖

厚板加肋結(jié)構(gòu)計算結(jié)果見圖9～圖12。

圖9 厚板加肋結(jié)構(gòu)X向應(yīng)力云圖

圖10 厚板加肋結(jié)構(gòu)Y向應(yīng)力云圖

圖11 厚板加肋結(jié)構(gòu)Z 向應(yīng)力云圖

圖12 厚板加肋結(jié)構(gòu)總體位移云圖

梁板與厚板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分布見表4。

應(yīng)力計算結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)的受力一致，應(yīng)力分布基本規(guī)律一致，厚板加肋結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較薄板結(jié)構(gòu)減小?？傮w變形梁板結(jié)構(gòu)2.384 mm，厚板加肋機構(gòu)1.983 mm，隨著計算中結(jié)構(gòu)剛度的增加，總變形減小。

整理兩種結(jié)構(gòu)的配筋計算，結(jié)果見表5。根據(jù)體型，計算兩種結(jié)構(gòu)的工程量以及各結(jié)構(gòu)中梁板的配筋面積，見表6。通過表6 可以看出，厚板結(jié)構(gòu)較梁板結(jié)構(gòu)的混凝土量增加4%，受力鋼筋配筋面積減少24%。從投資角度考慮，明顯厚板加肋結(jié)構(gòu)在保證了結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上更優(yōu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計一方面要保證結(jié)構(gòu)的安全，也要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點采用最合適的結(jié)構(gòu)形式，對于安裝間采用厚板結(jié)構(gòu)，不僅與梁板結(jié)構(gòu)的工程量相當，而且對于設(shè)計和施工都更便捷。

表5 配筋計算結(jié)果表

表6 投資對比表

4.2 地震工況計算結(jié)果分析

梁板結(jié)構(gòu)地震工況計算結(jié)果見圖13，厚板加肋結(jié)構(gòu)地震工況計算結(jié)果見圖14。

圖13 梁板結(jié)構(gòu)地震工況計算結(jié)果

圖14 厚板加肋結(jié)構(gòu)地震工況計算結(jié)果

圖15 梁板結(jié)構(gòu)地震工況計算模態(tài)圖

圖16 厚板加肋結(jié)構(gòu)地震工況計算模態(tài)圖

梁板結(jié)構(gòu)地震工況模態(tài)計算結(jié)果見圖15，厚板加肋結(jié)構(gòu)地震工況模態(tài)計算結(jié)果見圖16。

整理兩種結(jié)構(gòu)靜力，動力以及靜動力疊加三種工況的計算結(jié)果，厚板加肋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較梁板結(jié)構(gòu)均減小。地震對安裝間下部水機副廠房這樣剛度較大的結(jié)構(gòu)，影響不大，開孔周圍應(yīng)力水平受地震影響增大，梁應(yīng)力較之前略微增大，不影響結(jié)構(gòu)。

配筋計算結(jié)果見表7。根據(jù)動力計算結(jié)果整理了前20 階頻率，見表8，對比曲線見圖17。分析可知：兩種模型的振型基本一致，厚板加肋結(jié)構(gòu)的振動頻率大于梁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體抗振剛度有一定的提高，厚板加肋結(jié)構(gòu)在防止結(jié)構(gòu)發(fā)生共振方面優(yōu)于梁板結(jié)構(gòu)。

表7 配筋計算結(jié)果表

圖17 兩種結(jié)構(gòu)頻率對比曲線

表8 兩種結(jié)構(gòu)頻率對比表

5 結(jié)論

1）靜力分析結(jié)果表明：兩種結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，梁與板的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)部位基本一致。厚板加肋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較梁板結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平小，配筋面積小于梁板結(jié)構(gòu)。采用厚板加肋結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)的安全布置更有利。

2）動力分析結(jié)果表明：與靜力分析結(jié)果相比較，地震對結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力影響不大，對樓板局部（孔邊）薄弱部位有一定的影響，厚板加肋結(jié)構(gòu)在開孔部位出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，這個部位考慮布置暗梁可以滿足要求。兩種模型的振型基本一致，厚板加肋結(jié)構(gòu)的振動頻率大于梁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體抗震剛度有一定的提高。

3）因廠房的振源主要來源于機組的振動頻率，與短路、飛逸等工況的振動頻率以及流道內(nèi)的脈動壓力有關(guān)，此次選擇安裝間作為計算模型只對靜力計算與地震作用有一定的代表性，進行主機間的動力計算分析才是解決廠房振動問題的核心任務(wù)。

通過對安裝間的梁板結(jié)構(gòu)與厚板加肋結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)進行對比分析，得出更優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，厚板加肋結(jié)構(gòu)更適合電站廠房的設(shè)計，一方面提高了廠房的安全性能，另一方面節(jié)省了工程成本，方便施工，提高空間利用率，對國內(nèi)類似工程具有參考和借鑒意義。