基于不同网架模拟方式的水电站厂房振动特性研究

黑　灿　伍鹤皋　傅　丹　石长征

(武汉大学 水资源与水利水电工程科学国家重点实验室， 武汉　430072)



基于不同网架模拟方式的水电站厂房振动特性研究

黑灿伍鹤皋傅丹石长征

(武汉大学 水资源与水利水电工程科学国家重点实验室， 武汉430072)

摘要：水电站地面厂房越来越多采用网架屋面，为研究网架支承方式及其有限元模拟方法对厂房振动特性的影响，本文运用ANSYS软件建立了5种有限元模型，计算了厂房的自振特性和机组振动荷载作用下的响应．研究表明：网架与下部支承结构简支连接比铰支连接的抗振性能更好；网架模拟方式仅对厂房上部结构的振动特性有影响，对发电机层楼板及以下结构的振动特性影响很小；在计算机组振动荷载作用下厂房的动力响应时，将网架简化为刚性二力杆得到的动位移小于网架按实际尺寸模拟的结果．故建议在研究包含上部结构的厂房振动特性时，尽量按实际尺寸对网架进行模拟；若只需研究发电机层以下厂房结构的动力特性时，可选择不包含网架的模型进行计算．

关键词：水电站地面厂房；振动特性；网架屋面；支承方式；模拟方式；有限单元法

网架结构早在20世纪初就由亚历山大·格雷厄姆·贝尔提出并实践，但现代空间结构的发展历史却仅有40年左右．虽然现代网架结构的发展历史并不太长，但网架结构受力合理、空间刚度大、施工简便，在世界各国被广泛应用于建筑行业．近些年，随着水电站水轮发电机组单机容量不断加大，厂房跨度也随之增大，与传统的钢筋混凝土结构屋面相比，网架结构的厂房屋面自重较小，抗震性能较好，并且可以避免屋面梁配筋难度大的问题，其优势愈来愈显著，已成为未来的发展趋势[1-3]．

这种上部为钢网架下部为混凝土的混合结构体系与传统结构的受力特性和动力响应有很大不同．目前，国内外对于这种混合结构体系的静力性能和抗震性能进行了诸多研究，但这些研究多针对体育馆、火车站等空旷建筑，对水电站厂房的研究较少．而水电站厂房由于其特殊性，电站运行时不可避免会受到机组振动的影响，并且地面厂房上部结构刚度较小，更需注意其振动特性[4]，但是关于机组振动荷载下网架与厂房混凝土结构如何相互作用还有待深入研究．在研究体育馆等大跨度混合结构时发现，网架屋面建筑在动力作用下的不均匀变形使得网架杆件以及支座更容易发生破坏[5-8]，然而现行的设计方法将网架和下部支承结构分开独立设计，忽视了网架与下部支承结构间的相互作用，所以对于水电站厂房有必要将网架放置于上下游墙体上，对包含网架的整体结构进行动力特性的分析[9]．在对整体结构分析时，网架结构的模拟方式有很多种：在最初的研究中，一般将网架结构简化为板单元，而板单元不但不能真实模拟网架结构本身的动力特性，还将影响墙体结构的动力特性；随着研究的不断深入，对网架的模拟方式也越来越接近实际情况，在景洪水电站和紫平铺水电站的研究中，将网架用刚性二力杆近似模拟，两端与立柱顶部铰接[10]；在三峡水电站的研究中，将网架用杆单元模拟，网架每根杆件的横截面严格按照设计尺寸模拟[11]．用刚性二力杆近似模拟的方法简单易行，但与实际情况相差较远；而按照实际尺寸用杆单元模拟网架的方式最符合实际，但建模人员所消耗的精力也较高；此外，在分析计算时可能由于工程资料不足，不能严格按照实际尺寸对网架进行模拟．

在有限元计算中，不同的模拟方法，计算精度和建模代价存在差异[12]．不计建模代价、尽可能逼近真实情况的处理方式是否有必要；采用简化模拟方法能否满足精度要求；屋架结构与立柱墙体结构的连接条件如何选取，采用何种连接比较合理，本文将以某水电站地面厂房为工程背景，对这些问题展开研究．

1计算方案和条件

本次计算运用ANSYS软件，以某水电站地面厂房3号标准机组段为对象建立计算模型，模型包括厂房和地基．厂房部分包括主厂房、下游副厂房以及尾水平台，模型沿厂房纵轴线方向总宽为26.50 m，沿上下游方向总长为52.00 m．基岩范围由厂房向上、下游侧分别取100 m，基岩深度约为130 m．

计算模型采用笛卡尔直角坐标系，其X轴为水平方向，沿厂房纵轴指向左端为正(面向下游)，Y轴为铅直方向，向上为正；Z轴为水平方向，指向下游为正；坐标系原点取在机组中心线与安装高程3 297.20 m交界处．

在计算范围内，对主厂房上下游墙(排架柱)、风罩、机墩、蜗壳以及尾水管等均按实际尺寸进行模拟，蜗壳、尾水管、座环等钢结构采用壳单元SHELL63，混凝土和垫层采用实体单元SOLID45，机组重量采用质量单元MASS21模拟在相应位置．当按照实际尺寸模拟网架时，网架采用杆单元LINK180；当将网架简化为刚性二力杆和弹性连杆时，采用弹簧单元COMBIN14．

对于屋面网架，参考工程中常用的网架模拟方式以及连接方式，本文共对比分析了以下5种计算方案，以期为网架式屋面结构的计算提供参考．

方案A：不考虑网架，网架重量与屋面恒载以质量单元的形式施加在下部支承，其中网架重量按照《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010[13]进行估算；

方案B：将网架模拟成刚性二力杆，网架重量与屋面恒载以质量单元的形式施加在下部支承；

方案C：将网架模拟成弹性连杆，网架重量与屋面恒载以质量单元的形式施加在下部支承，弹性连杆刚度根据实际工程情况确定，具体数值见图1；

图1　方案C简化图

方案D：按照实际尺寸用杆单元模拟网架结构，网架与下部支承框架铰支连接，屋面恒载以质量单元的形式施加在网架上；

方案E：按照实际尺寸用杆单元模拟网架结构，网架与下部支承框架下游端铰支、上游端简支连接，屋面恒载以质量单元的形式施加在网架上，简支座用刚度无穷大的竖向连杆模拟．

整体模型网格和厂房模型网格如图2和图3所示，图2、图3均为方案E的模型，共包含单元152 709个，节点155 681个，不同方案模型的差别仅在于网架模拟及支承方式的不同，单元和节点数相差不大．网架模型如图4所示，包含单元720个，节点200个．

图2　整体模型网格　　　　图3　厂房模型网格

图4　网架模型

计算边界条件为模型底部基岩的各个面施加法向约束，蜗壳进水管处钢管横截面施加法向(管轴向)约束，其他边界均为自由边界．

模型涉及的材料共4种，分别为混凝土、钢材、垫层和基岩，机组段各部位的混凝土等级均为C25，厂房基岩采用无质量地基，其变形模量采用Ⅲ1类岩体对应的变形模量值，所有材料参数见表1．

表1　模型材料计算参数

2自振特性对比分析

为分析网架模拟方式对厂房自振特性的影响，分别提取了厂房整体结构前40阶模态．图5为各方案下厂房整体结构前40阶自振频率．5种方案的第一阶模态均为上游墙的顺河向振动，且频率都较低，其中方案A(不考虑网架)的基频最低为2.041 Hz，其余依次为方案E(网架简支于下部支承)2.112 Hz，方案D(网架铰接于下部支承)2.392 Hz，方案C(将网架模拟成弹性连杆)2.715 Hz，方案B(将网架模拟成刚性二力杆)的基频最高为2.935 Hz．

图5　5种方案下厂房整体结构前40阶自振频率

方案A、B、C的网架重量和屋面恒载均以质量单元的形式施加在下部支承，3个方案厂房的振动均集中在上下游墙及尾水闸墩．方案A厂房上部没有水流向支撑，自振频率最低，其余依次为方案C(用弹性连杆支撑)，方案B(用刚性二力杆支撑)；并且方案A和C的自振频率较为接近，方案B与方案A、C的自振频率差别较大．说明采用不包含网架的简化模型进行计算时，厂房结构的自振特性与支撑的刚度有较大的关系，由于网架水流向实际刚度较小，故采用刚性二力杆的模拟方式将存在较大误差．

方案D和E的网架均按实际尺寸模拟，屋面恒载均以质量单元的形式施加在网架上，两个方案除上下游墙和尾水闸墩的振动外还有网架的振动．方案E网架简支于下部支承，厂房上部没有水流向支撑，方案D网架铰支于下部支承，厂房上部有水流向支撑，因此方案E的自振频率稍低于方案D；但两者的模态差别较大，方案D网架和上下游墙的振动会相互带动，方案E铰支端网架的振动会轻微带动下游墙，但简支端网架和上游墙的振动互不影响．说明按照网架实际尺寸模拟计算时，网架与下部支承结构的连接方式对厂房结构的模态影响较大，且铰支连接时更为不利．方案A和E的厂房上部均没有水流向支撑，两者的屋面质量施加方式不同，方案E除基频外，其自振频率低于方案A，且差别较大．方案C和D的厂房上部均有水流向支撑，并且支撑刚度相当，两者也是屋面质量施加方式不同，方案D的自振频率低于方案C，且差别较大．说明是否按照实际尺寸模拟网架，对于厂房的低阶频率的影响较为明显，采取简化模拟时厂房整体的刚度大于其实际刚度，可能使得计算结果偏危险．所以，在研究厂房整体的自振特性时，推荐建立包含网架结构的模型．

3机组振动荷载作用下厂房结构动力响应对比分析

水电站厂房是机组的支承结构，机组运行时的振动荷载将传递至厂房，引起整体或局部结构的振动．第3节的结果显示，网架模拟方法对厂房结构的自振特性影响较明显，本节将进一步分析网架模拟方法对机组振动荷载作用下结构动力响应的影响．这里考虑的振动荷载是通过定子基础、下机架基础和上机架传递的竖向力、径向力和切向力，如图6所示．

图6　机组振动荷载

参照类似工程，本水电站机组设备荷载取值见表2所列．本文假定各振动荷载均是简谐荷载，幅值即是表2中所列的数值，其中定子基础轴向荷载为静荷载，作为附加质量考虑．计算工况为额定工况，荷载频率取机组额定转速时的频率2.27Hz，各振动荷载相位相同．

表2　机组设备荷载　(单位：t)

表注：表中为总荷载，分别由8个定子基础板、6个下机架基础板、8个上机架基础板均分．

根据计算结果，本文选取了8个特征点的动位移进行整理分析，各特征点位置如图7所示．其中1号点位于上游柱屋面高程，2号点位于上游柱轨顶高程，3号点位于上游墙中部，4号点位于上游墙发电机楼板高程，5号点位于发电机层楼板上游侧跨中，6号点位于风罩内侧，7号点位于定子基础内侧，8号点位于下机架内侧．

图7　特征点示意图

5种方案下各测点动位移的大小见表3．

表3　典型部位动位移　(单位：mm)

5种方案下纵轴向的动位移没有显著差别，而竖直向和水流向的动位移有较大差别，且差别随着高程的升高而增大．高程在发电机层以下(4～8号特征点)时，5种方案的动位移相差不大，高程在发电机层以上(1～3号特征点)时，网架模拟方式的不同对动位移有较大的影响．说明不同的网架模拟方式和支承方式仅对厂房上部结构的动力特性有影响．

观察发电机层以上的合位移，5种方案的合位移从大到小依次为方案D(网架铰接于下部支承)、方案E(网架简支于下部支承)、方案A(不考虑网架)、方案C(用弹性连杆支撑)、方案B(将网架模拟成刚性二力杆)．将网架简化为刚性二力杆和弹性连杆的模拟方式得到的动位移较小，可能使得计算结果偏于危险，特别是简化成刚性二力杆时与网架的实际刚度有较大差别，故不建议用刚性二力杆模拟网架进行计算．

当屋面质量施加方式相同，水流向支撑不同时，分别对比方案A、B、C和方案D、E发电机层以上的合位移．A、B、C 3个方案中，方案A(厂房上部没有水流向支撑)的合位移最大，其余依次为方案C(用弹性连杆支撑)，方案B(用刚性二力杆支撑)，说明对网架进行简化模拟时水流向支撑提高了厂房上部结构的抗振性能．D、E两个方案中，方案D网架铰支于下部支承，厂房上部有水流向支撑，其合位移明显大于网架简支于下部支承的方案E，说明在考虑网架质量的不利作用下简支连接的抗振性能更好．

当水流向支撑相同，屋面质量施加方式不同时，分别对比方案A、E和方案C、D发电机层以上的合位移．方案E的合位移大于方案A，方案D的合位移大于方案C．说明屋面质量施加方式的不同对厂房上部结构的动力特性有较大影响，并且网架的振动会带动厂房的振动，故在研究厂房上部结构的动力特性时建议按照网架实际尺寸进行模拟计算．

4结论

1)不同的网架模拟方式只对于厂房上部结构的振动特性有一定的影响，故在研究发电机层楼板及以下的机墩、风罩的振动特性时采用这5种模拟方式均可，而在研究包含上部结构的厂房振动特性时应慎重选取模拟方式，建议按照网架实际尺寸及实际支承情况进行模拟计算．

2)网架刚度的数量级一般为101 MN/m，当采用刚性二力杆简化时会出现较大误差，可能使计算结果偏于危险，故不建议用刚性二力杆简化网架．

3)网架与下部支承铰支连接时，由于网架质量的不利作用，厂房的抗振性能较差，对于跨度较大或对抗振有较高要求的厂房建议采用简支的连接方式，这样也有利于适应温度的变化．

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[责任编辑王康平]

收稿日期：2015-11-12

基金项目：国家自然科学基金资助项目(51179141)

通信作者：伍鹤皋(1964-)，男，博士，教授，博士生导师，研究方向为水利水电工程．E-mail：wbf1988@vip.sina.com

DOI：10.13393/j.cnki.issn.1672-948X.2016.01.006

中图分类号：TV731：TV312

文献标识码：A

文章编号：1672-948X(2016)01-0026-05

Study of Vibration Characteristics of Hydropower House Based on Different Simulation Methods of Grid Roof

Hei CanWu HegaoFu DanShi Changzheng

(State Key Laboratory of Water Resources & Hydropower Engineering Science, Wuhan Univ., Wuhan 430072，China)

AbstractNowadays grid roof is used more and more widely in ground hydropower house. It order to study the influence of grid supporting modes and its finite element(FE) simulation method on the vibration characteristics of power house, five FE models are built by ANSYS in this paper; and the natural vibration characteristics and dynamic responses under generator unit vibration loads of the power house are calculated. The results show that simply support connection is more conducive to improve the anti-vibration performance of the power house compared with hinged support connection. The FE simulation method of grid only affects the vibration characteristics of superstructure; and it has little influence on the structures under generator layer floor. When calculating the dynamic responses of power house under generator unit vibration loads, the simplified rigid two-force bar model to grid gets a smaller dynamic displacement than the model simulating the grid according to its actual size. So in FE calculation of power house's vibration characteristics, when superstructure is included, ths simulation model according to the cactual size of grid is recommended. If only the structure below generator layer is studied, the model model without grid can be used.

Keywordsground hydropower house；vibration characteristics；grid roof；supporting mode；simulation method；FEM