水电站厂房结构自振特性与止水优化分析

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(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010； 2.长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010)

水电站厂房结构自振特性与止水优化分析

李玉婕1，赵世英2，罗荣1

(1.长江科学院 水利部岩土力学与工程重点实验室，武汉 430010； 2.长江水利委员会 长江勘测规划设计研究院，武汉 430010)

2017,34(12):122-125

水电站地面式厂房发电机层以上的墙柱通常是受振动影响最大的部位，为了研究厂房上部结构的连接方式和止水布置位置对结构的受力特性的影响，以某电站厂房为例，采用ANSYS软件，建立厂房上部的墙柱结构有刚度较大的钢架连接和无钢架连接2种模型，分析其对结构自振的影响。基于设计推荐方案，研究止水结构对厂房受力特性的影响，分别在2个具有代表性的工况下进行论证分析。计算成果表明：将厂房上部结构用钢架连接成整体后，对结构的振动特性影响总体有利，但改善幅度不明显；止水位置对蜗壳部位的受力特性影响较为显著。上述研究成果可为水电站厂房的结构设计与止水受力优化提供有益参考。

厂房结构；数值仿真；自振特性；止水结构；受力优化

1 研究背景

随着我国西部大开发的持续推进，越来越多的大型水电站正在建设或已经建成，厂房结构的振动问题也一直是关注热点，尤其对于大型厂房结构，更要确保避免因结构振动造成的危害[1-5]。地面厂房建于河床或河岸上，既要满足发电设备的尺寸要求，也要避免外部一些不确定因素的干扰，因此通常将厂房做成封闭结构，顶部一般用钢筋板或钢桁架结构进行连接遮盖。考虑到厂房顶部的墙柱混凝土结构刚度相对较低，用顶棚将其连接，可能会对厂房结构的自振特性造成一定影响。同时，在厂房设计中，止水结构的布置也较为灵活，止水结构的设置也可能会对结构受力特性产生一定影响。本文以一大型水电站厂房结构为研究对象，通过分析设置的各种对比方案，对上述2个问题进行研究，以明确其对厂房结构的影响程度，服务于实际工程。

2 工程概况

该水电站厂房结构尺寸为105.8 m×40.2 m×94.1 m(长×宽×高)，共有4台机组，采用一机一缝布置。水库正常蓄水位1 022 m，电站装机容量560 MW，多年平均发电量为25.07亿kW·h，机组额定工况下转速为60 r/min。厂房结构布置见图1。

图1厂房结构布置

Fig.1Layoutoftheplantstructure

3 厂房顶部棚架钢结构对机组自振特性的影响分析

对于水电站地面厂房，发电机层以上的混凝土结构主要包括上下游的墙体及支撑柱。与下部蜗壳部位大体积混凝土相比，此部分结构刚度较低，受外界激励振动影响最大，是水电站厂房的薄弱部位。在本工程中，顶部的钢制棚架结构与厂房墙柱体之间的连接方式有2种:一种是将顶部钢制棚架结构搁置于顶部牛腿之上，与上下游顶部墙柱结构无连接，上下游墙柱仍是独立结构；另一种是将上下游墙柱结构在顶部用钢制棚架连接，使上下游墙体连为一体。在设计中考虑多方面因素之后，最终设计为第1种方案。不同的连接方式会对水电站厂房结构的自振特性产生影响，鉴于此情况，借助于有限元数值模拟方法，对钢制棚架与顶部墙柱体的连接方式进行讨论，验证设计方案的合理性。

3.1 初始条件

根据该水电站厂房的实际尺寸，建立三维有限元模型，计算模型包含进口拦污栅混凝土、蜗壳混凝土、座环、尾水管混凝土,以及副厂房等结构，所有的楼板、梁、柱、风罩和开孔等结构均按实际尺寸模拟，大部分使用六面体实体单元。水电站厂房属于一机一缝结构，现取3#机组进行分析，对结构的自振分析设置2种方案：一是上下游墙柱结构相对独立，如图2(a)所示；二是将上下游墙柱结构在顶部用钢架连接，钢架与墙柱结构共节点，如图2(b)所示。2种方案中，模型顺水流方向的范围包括厂房及其上下游1.5倍厂房跨度范围内的围岩，围岩侧向边界施加法向约束；模型竖直方向考虑厂房底部1倍厂房跨度的围岩，围岩底部边界施加全约束；沿横河向由于纵缝的存在，机组之间设为自由边界。

(a)不考虑厂房顶部的棚架结构 (b)考虑厂房顶部的棚架结构

图22种方案厂房结构有限元计算模型

Fig.2Finiteelementmodelsofplantstructureintwocases

在对结构进行自振分析时，机组构件如上下游门机、桥机以及水轮机等的质量是不能忽略的，方案1中计算模型中相应的位置(上下游门机处、岩锚梁位置，以及定子基础和下机架基础)用质量单元(MASS21)模拟其影响，钢架结构以质量单元形式施加在牛腿上。计算时采用ANSYS软件分块Lanczos迭代法提取2种方案的前10阶自振频率，并观察各方案各阶振型特征。

3.2 成果分析

将设置的2种方案厂房整体结构前10阶自振频率列入表1。

对2种方案自振频率和各阶频率对应的振型分析，可见方案1(顶部未用钢架连接)的厂房前10阶自振频率在2.85～8.23 Hz之间，方案2(顶部钢架连接)的前10阶自振频率在2.85～9.23 Hz之间，2种方案的第1阶自振频率相同，第2阶至第5阶自振频率相差0.5 Hz左右，从第6阶开始两者相差1～2 Hz，自振频率较为接近。对比2种方案的自振振型，第1阶自振频率对应的振型均为厂房整体结构的横河向振动，这也与2种方案的第1阶自振频率相同所对应。从第2阶自振开始，方案1的振型主要是发电机层以上的上下游墙体结构依次独立振动，而方案2因为将上下游墙体结构用钢架连接，使上下游顶部结构连为一体，振型多表现为两者的共同振动，也使得结构的自振频率有所提高，但提高幅度不大。

表1 2种方案厂房整体结构的前10阶自振频率

总的来说，相对厂房下部大体积混凝土而言，上部的墙柱结构刚度较低，振动主要集中在该部位。具体分析设置的2种方案，因为方案2顶部钢架结构的连接作用，厂房整体的自振频率有所提高，但提高幅度较小。综合考虑其他方面因素，选择顶部钢制棚架与厂房混凝土结构相互独立方案是可行的。

4 止水的布置对厂房结构的影响

对于河床式水电站厂房，止水的位置具有很大的灵活性，不同的止水位置对于厂房结构受静水压力作用的大小和范围都有较大影响，从而导致厂房结构的受力情况有较大差异，尤其对蜗壳部位的混凝土受力影响最大。《水工混凝土结构设计规范》(SL 191—2008)[6]也指出“止水的位置应能使厂房结构的受力更有利”。本工程选择正常运行工况和检修闸门关闭这2种工况下不同止水位置作了方案比较：方案1止水位置较高，如图3(a)；方案2将止水的位置降低到水轮机安装高程，如图3(b)所示。

4.1 初始条件

在正常运行工况下，上游水位1 022.00 m，相应下游水位1 016.10 m；在检修闸门关闭工况下，上游水位1 022.00 m，下游水位995.15 m。除水压力的作用之外，上下游顶部的门机以及桥机的自重荷载，定子基础和下机架基础位置的发电机和水轮机的自重荷载，均以集中力施加在相应位置，扬压力按《水电站厂房设计规范》(SL 266—2014)[4]第3.2.6条第2项规定计算，按照原设计方案，采用钢架搭接在厂房顶部，钢架质量以集中质量施加在响应节点上。

(a)止水设置方案1 (b)止水设置方案2

图3止水位置布置

Fig.3Locationsofwatersealingstructure

当机组处于正常运行工况下时，除受竖向荷载作用外，由于蜗壳和尾水管内充水，混凝土结构将受到流道内部静水压力的作用而产生变形和拉应力；当机组处于检修闸门关闭工况时，蜗壳流道内未充水，结构不受内水压力作用。由受力情况初步分析可知，止水位置的改变对蜗壳外围混凝土的影响较大，故本文对该问题进行重点研究。

4.2 正常运行工况蜗壳混凝土受力分析

在机组正常运行工况下厂房结构受内水压力作用以及竖向荷载作用，蜗壳部位的左右边墙有向外变形的趋势，即会在顶板和底板与蜗壳外墙交汇处部位出现较大的拉应力，同时由于止水的设置，边墙外侧会受到下游静水压力的作用，这部分作用会对蜗壳处混凝土的受力产生一定影响。图4为正常运行工况下蜗壳进水口处的拉应力云图。

(a)方案1 (b)方案2

图4设计水位工况下蜗壳部位最大拉应力云图

Fig.4Maximumtensilestressofvoluteindesignwaterlevelconditions

从图4中可以看出：2种方案蜗壳混凝土的应力分布规律基本一致，较大拉应力出现在蜗壳进水口处的底板和顶板与边墙接触部位。方案1最大拉应力为0.81 MPa，方案2的最大拉应力为1.48 MPa。由此分析可知，方案1由于止水位置布置较高，蜗壳边墙外侧都受到下游水压力的作用，从而可以抵消一部分内水压力，减小底板与边墙之间的拉应力。所以在正常运行工况下，方案1止水的布置对蜗壳受力特性更为有利。

4.3 检修闸门关闭工况蜗壳混凝土受力分析

当厂房结构处于检修闸门关闭工况下，蜗壳和流道内无水，将不会受到内水压力的作用，而外部仍受到下游静水压力作用。图5为检修闸门关闭工况下蜗壳处混凝土拉应力云图。对比分析2种方案，拉应力主要分布在蜗壳顶板和底板位置，且最大拉应力较小，最大值分别为0.93 MPa和0.98 MPa，相差不大。

(a)方案1 (b)方案2

图5检修工况下蜗壳部位最大拉应力云图

Fig.5Maximumtensilestressofvoluteinmaintenanceconditions

5 结 论

通过对某地面式水电站厂房结构自振特性及厂房止水的布置位置进行了研究分析，得出以下结论：

(1) 在分析水电站厂房的自振特性中，厂房发电机层以上结构较容易产生振动而损害，属于薄弱部位。将上下游的墙柱结构通过钢架连接虽可以提高结构的自振频率改善整体结构的受力，但作用较小，对该厂房仍采取原设计方案，对上下游墙柱结构未采用钢架连接。

(2) 在对厂房结构进行静力分析时，止水的设置对结构的受力特性有较大的影响，可以较好地改善结构的位移和应力条件，有利于蜗壳大体积混凝土的配筋，有很大的经济意义和工程意义，要以厂房整体结构在不同工况下最为有利为原则进行布置。

[1] 马震岳，宋志强，徐 伟，等.水电站厂房机组动荷载施加方式研究[J].水力发电学报，2009，28(5)：200-204.

[2] 陈 靖，马震岳，戚海峰，等. 宜兴抽水蓄能电站厂房结构水力振动反应分析[J]. 水力发电学报，2009，28(5)：195-199.

[3] 张宏战，相昆山，马震岳. 机组振动荷载作用下大型水电站厂房振动反应分析[J]. 水利与建筑工程学报，2011，9(5)：41-44，53.

[4] SL 266—2014，水电站厂房设计规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2014：34-35.

[5] 顾鹏飞，喻远光. 水电站厂房设计[M]. 北京：水利电力出版社，1987：149-150.

[6] SL 191—2008，水工混凝土结构设计规范[S]. 北京：中国水利水电出版社，2008：109-112.

Structural Free Vibration and Water Sealing Optimization ofPowerhouse in Hydropower Plants

LI Yu-jie1, ZHAO Shi-ying2, LUO Rong1

(1. Key Laboratory of Geotechnical Mechanics and Engineering of Ministry of Water Resources, Yangtze River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China; 2. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Changjiang Water Resources Commission, Wuhan 430010, China)

Wall and column structures above the generator layer are primary concerns for studying structural vibration issues of ground powerhouses in hydropower plants. In this article, the influences on free vibration characteristics of a powerhouse when the wall and column structures are connected by steel frames with large stiffness are studied. Furthermore, the influences of sealing structures on stress distribution of powerhouse structures are also studied with design schemes in ANSYS models. The calculation results show that connecting the wall and column structures with steel frames is favorable for the overall vibration characteristics of powerhouse. But the improvement is not remarkable. On the other hand, the position of sealing structures significantly affects the stress distribution, especially stress distribution of volute concrete, of powerhouse structures under designed working loads. These findings provide useful references for the structural design and sealing structure optimization of powerhouses in hydropower plants.

powerhouse structure; numerical simulation; free vibration characteristic; sealing structure; stress optimization

10.11988/ckyyb.20160802

2016-08-10；

2016-08-30

国家自然科学基金青年基金项目(51409013)；长江科学院中央级公益性科研院所基本科研业务费项目(CKSF2017014/YT，CKSF2016045/YT,CKSF2016038/YT)

李玉婕(1987-)，女，河南温县人，工程师，硕士，主要从事岩土工程和厂房结构分析工作，(电话)027-82926046(电子信箱)magicbunny@163.com。

O319.56

A

1000-6915(2017)12-0122-04

(编辑：占学军)