河床式水电站厂房上部结构三维有限元抗震分析

张鑫华

摘 要：利用ansys软件进行河床式水电站上部结构的抗震分析，建立三维有限元动力计算模型。模态分析计算得到其自振特性，并通过反应谱法计算结构的抗震动力响应。将动力计算结果与静力计算结果叠加，结果显示其满足各项要求。

关键词：ansys软件；上部结构；动力分析；反应谱

中图分类号：TV312 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0064-03

1 概 述

水电站厂房是能量进行转化的场所，将水能通过工程机械转化成机械能并最终转换为电能。它通过合理的工程手段，使河水平顺地引入水轮机，能量转化后引出水轮机，同时水电站厂房也为能量转化的设备提供合适的安装位置，为这些设备的安装、检修和运行提供方便的条件。

水电站厂房结构比较特殊，厂房各构件尺寸庞大，内部各结构受力条件复杂。厂房的主要组成结构包括：上游—下游挡水墩墙、钢筋混凝土蜗壳、导叶、尾水管、上部结构。

上部结构由主厂房下游的柱墙结构和副厂房上的板梁柱结构组成。上部结构很高，而宽度和厚度相对于高度方向尺寸很小，在地震效应作用下很容易发生摆动，使结构发生破坏，进而影响厂房的整体运行，造成重大的损失，因此对上部结构的抗震分析是很有必要的。

2 计算模型和计算理论

2.1 计算模型

某水电站位于四川省境内，为二等大（2）型工程，工程正常蓄水位398 m，相应库容6 330万m3，装机容量4×190 MW+1× 12 MW（生态机组），额定水头33 m。枢纽布置包括河床式电站、船闸、13孔泄洪冲砂闸、左岸副坝、左岸非溢流坝、右岸接头坝。本文通过建立一个机组段厂房三维有限元模型来了解地震作用下现有结构布置方案结构的应力、应变。计算采用的直角坐标系为：X轴为沿水流方向，顺水流方向为正，Y轴正方向为竖直方向，向上为正，Z轴垂直于水流方向，河流右岸为正方向，坐标原点高程为327 m。整体三维有限元模型，如图1所示。

2.2 计算理论

在地震作用下，结构系统的有限元方程是

2.3 计算假定

①混凝土、基础岩体为均质、弹性、各向同性的连续体，不考虑钢筋和混凝土的应力重分布。

②厂房为多个坝段，各厂房坝段之间分别设有结构缝，在计算时，因此各坝段独立承担荷载，坝段间无相互作用。

③计算时，结构中的二期混凝不承受荷载。。

2.4 荷载及荷载组合

抗震计算水位为上游正常蓄水位、下游最低尾水位，静荷载包括厂房自重、设备自重、内水压力、侧水压力、扬压力，动水压力的影响采用目前坝工界普遍采用的韦斯特加特（Westergarrd）公式进行计算：

式中：Pw为作用在坝体单位面积上的动水压力；

αh为设计地震加速度水平向代表值；

h为计算位置距水面的深度；

H为库水总深度；

ρw为水的密度。

3 模态分析

模态分析是研究结构振动特性的方法，能够确定自振频率、机型参与系数及振型等结构的振动特性。模态分析是在进行其他动力分析之前进行的，主要是由于结构的振动特性决定结构对于各种动力荷载的响应情况。厂房整体结构的前20阶自振频率，见表1。厂房上部结构的自振频率，见表2。可以看出整体的自振频率比较密集，其中九阶表现为上部结构的自振。厂房坝段第五、六阶振型图，如图2和图3所示。

4 动应力分析

本工程所处区域的地震设计烈度为7.3 °，水平向设计地震加速度代表值αh=0.13 g，竖向设计地震加速度代表值αv= 0.087 g，设计反应谱按《水工建筑物抗震设计规范》中4.3.3采用，设计反应谱最大值的代表值βmax=2.25，最小值不应小于 βmax=0.45，场地类别为I类，响应特征周期Tg=0.20 s，由此确定抗震计算所用的设计反应谱，如图4所示。

5 动应力和位移结果分析

抗震分析时其荷载按照顺水流方向、坝轴线方向和竖直向三个方向同时受地震荷载作用，其中竖向地震荷载为水平向的2/3，结构的总动力响应为顺水流方向和坝轴线方向动力响应的平方和开平方与竖向动力响应的0.5倍直接相加；最终总地震效应为反应谱计算的地震动应力和静力计算得到的静应力的叠加。动静叠加时需要对地震作用效应按系数0.35进行折减，再与静力计算结果进行叠加。反应谱分析得到的动应力是交变应力，所以在进行动应力和静应力叠加时，应分别进行正向叠加和负向叠加。由于地震作用下可能导致止水失效，故本次计算时按照扬压力系数为0.6和1.0两种工况进行计算。地震工况的最大位移表，见表3。

①分析应力结果可知，主厂房下游柱子与发电机层的相交部位X向的拉应力约为3.5 MPa，属于体型结构突变处，产生应力集中，但应力集中范围较小。主厂房下游柱子与副厂房上部板梁柱之间的联系梁以及副厂房上部板梁柱结构与下游墩墙之间的连系梁X向拉应力很大，约为5.0 MPa。副厂房上部板梁柱结构中板柱相交处X向拉应力交大，约为3.0 MPa。上部结构中的Z向梁的Z向拉应力较大，约为3.5 MPa。

②分析位移结果可知，主厂房下有柱子顶部X向最大位移为4.47～4.72 cm；主副厂房吊车梁顶部最大位移为3.70～3.93 cm，位移均比较大，但柱子底部的X向最大位移为2.55～2.74 cm，可知其位移是由厂房的整体位移造成的。经计算，吊车梁轨顶侧向位移满足《水电站厂房设计规范SL 266-2001》中表4.2.7的要求。

5 结 语

①上部结构中，主厂房下游柱子与发电机层相交处以及副厂房上部板梁柱结构中的板柱相交部位拉应力较大，可以通过适当的配筋来提高该部位的抗拉性能，有利于结构的安全。

②主厂房下游柱子之间的纵向连系梁、主厂房下游柱子与副厂房上部板梁柱结构之间的连系梁以及副厂房上部板梁柱结构与下游尾水墩墙之间的连系梁均有很大的拉应力，一定程度上减小了上部结构在X和Z向的摆动，有助于结构抗震。

③通过对上部结构的应力和位移分析，除个别部位有较大的拉应力外，其它部位的拉应力较小，应力分布符合一般规律，满足设计要求。位移也满足规范要求，结构合理。

参考文献：

[1] 侯攀，陈尧隆，邓瞻.用ANSYS对水电站厂房坝段进行抗震分析[J].西北 水力发电，2005，（1）.

[2] SL266-2001中国人民共和国行业标准.水电站厂房设计规范[S].

[3] 刘启钊.水电站[M].北京：中国水利水电出版社，1997.

[4] 党国强，李守义，鞠静春，等.河床式水电站厂房坝段动力分析[J].电网与 水力发电进展，2008，（3）.

[5] 樊锐，陈尧隆，刘武军，等.河床式水电站厂房坝段三维有限元抗震分 析[J].水资源与水工程学报，2009，（5）.

[6] 揽生瑞，杨菊生，李守义，等.河床式水电站结构分析与结构特性研究[J].西安理工大学学报，1994，（4）.

[7] 陈天宏，刘云贺，张俊发，等.水电厂房三位有限元抗震分析[J].电网与水 力发电进展，2008，（5）.