淮安三站结构振动特性及抗振分析

肖 烨,丁晓唐

(1.东华理工大学建筑工程学院,江西 南昌 330013; 2.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098)



淮安三站结构振动特性及抗振分析

肖 烨1,丁晓唐2

(1.东华理工大学建筑工程学院,江西 南昌 330013; 2.河海大学土木与交通学院,江苏 南京 210098)

为分析淮安三站的结构振动特性及成因,采用有限元动力分析方法,根据灯泡贯流式泵站的结构特点,建立三维有限元模型,深入分析了淮安三站结构的自振特性、动力响应及振动成因,并针对振动问题进行了抗振减振措施研究。结果表明:淮安三站振动主要成因为下部结构与水流脉动压力发生共振,在水流脉动压力作用下淮安三站泵房结构所产生的动位移较大,基本接近建筑结构振动允许位移值标准;通过增加泵房楼板厚度和加大梁截面尺寸等措施可达到抗振减振的目的。

灯泡贯流泵站;振动特性;脉动压力;动位移;淮安三站

振动是泵站运行中最为常见的问题,直接影响机组的安全运行。泵站的振动问题一直受到人们的重视,但泵站的振动问题十分复杂,很难精确地对其进行定量分析。大型灯泡贯流式泵站在国内运用还不是很成熟,目前淮安第三抽水泵站(淮安三站)是江苏省乃至全国建设时间最早、建设规模最大的贯流式泵站,投入运行后,机组和泵房出现了比较剧烈的振动,且有进一步发展的趋势,在一定程度上影响了泵站的正常运行,如何正确分析和降低灯泡贯流泵站的振动问题尤为重要。近年来研究人员开始对灯泡贯流泵站的振动计算进行了定量的分析研究,如李玉莹等[1]以南水北调东线工程二级坝泵站为例,给出了适合泵站振动计算的定量分析方法;王新等[2]通过三维有限元数值模拟对淮阴三站泵房振动进行了分析,研究了泵房的自振特性,并采用谐响应分析法计算了泵房的振动响应;邢磊等[3]以淮阴三站工程为例,结合泵站结构的自振特性进行抗振安全度评价,得出水力振源远高于上部厂房的基频时,可避免引发泵站结构共振;赵路静等[4]采用大型有限元软件ADINA建立三维流固耦合有限元模型,对立式轴流泵站进行了自振特性分析及共振校核,并进行了振动安全评价;李四海等[5]以国内某大型竖井贯流泵站为例,研究了竖井贯流式机组振动产生的机理,对压力脉动进行了数值模拟分析。目前水电站厂房和机组的振动研究已经比较成熟,如欧阳金惠等[6]对三峡水电站主厂房进行了振动分析,并对水电站厂房结构振动进行了现场测试,将测试结果与计算结果进行了对比分析;马震岳等[7]对红石水电站机组振动诱发厂房振动,造成厂房立柱开裂进行了研究,通过系统的数值分析与试验研究,认为振源为机组与厂房共振,在此基础上提出了厂房抗振加固方案;陈婧等[8]研究了模型水轮机在水流脉动压力作用下的频域和时域特征,采用动力时程分析法计算了结构在脉动压力作用下的动力反应,探讨了脉动压力不同分布特性对振动强度的影响,借鉴国内外相关振动规程,对水电站厂房的振动进行了评价;张燎军等[9]以一水电站厂房为例,建立厂房全流道湍流整体结构流固耦合仿真模型,进行了时程振动分析,揭示了水电站厂房的整体振动规律。本文借鉴已有灯泡贯流式泵站和水电站振动研究的理论和方法,采用有限元数值分析方法来分析淮安三站的振动特性和振动成因,并针对振动问题研究抗振减振措施。

1 自振特性计算分析

1.1 计算模型及材料参数

建立如图1所示的有限元模型,上部结构包括屋面梁与泵房柱组成的排架结构以及吊车梁等,采用Beam4单元进行离散。下部结构自下至上包括底板、进出水流道、廊道、辅机层、主泵房地面层、上下游胸墙及工作桥等,采用Solid45单元离散。地基底部和四周边界均采用固定约束。为降低人工固定边界的影响,考虑地基阻尼对振动的耗散作用,根据工程地质资料,取地基的阻尼比为0.2。混凝土动弹性模量按静弹性模量的1.3倍考虑[10],淮安三站泵站采用C25混凝土,动弹性模量为36.4 GPa,泊松比为0.167,密度为2 500 kg/m3。

图1 淮安三站有限元模型

1.2 计算结果分析

利用ANSYS进行模态分析,前50阶自振频率和振型描述见表1。从表1可以看出:前40阶振动主要发生在上部厂房结构,这是因为上部厂房结构相对于泵房下部大体积块体结构刚度小很多,因此较容易发生振动;上部厂房结构的基频大概在1.28～1.61 Hz范围内,而泵房下部结构基频在20.02～20.72 Hz之间,主要表现为泵房地面出现垂直方向上下振动。从41阶开始出现了以下部结构为主的振型,这是因为泵房的刚度相对较小,所以在下部结构中最容易发生振动。

表1 淮安三站自振频率和振型

2 振动成因分析

引起泵站结构振动的原因主要有水力、机械和电气等三方面因素,因机械和电气振源引起的机械和电磁等不平衡力较小,故在设计过程中可不考虑,因此水力振源是引起机组和结构振动的主要振源[11]。水力振源主要来自于水流流过绕流体后所产生的漩涡诱发的脉动压力,水流脉动压力的频率由转轮叶片和导水叶片在单位时间内相互作用而发生的脉动次数决定,可按下式计算[12]:

(1)

式中:Z1、Z2分别为转轮叶片数和导水叶数;A为Z1、Z2的最大公约数;nH为机组额定转速,r/min。对于淮安三站,nH=136.4 r/min,Z1=4,Z2=8,A=4,由式(1)可计算得f=18.19 Hz。

由淮安三站振动特性分析可知,下部结构基频在20.02～20.72 Hz之间,与水流脉动压力频率18.19 Hz较接近,错开度小于5%,可能发生共振。由于水流脉动压力作用时间长,且水力振源直接作用在下部结构流道,引起泵房楼板垂直方向上下振动,会影响操作人员的工作环境及工作效率,而下部结构的振动还会影响控制泵站运行的机械仪器设备正常使用。下部结构与脉动压力发生共振可能是导致淮安三站现有振动问题的主要原因之一。

3 动力响应分析

在模态分析的基础上,采用ANSYS谐响应分析计算灯泡贯流泵站的结构动力响应,将水流脉动压力看成为该频率范围内的简谐荷载,其幅值为脉动压力幅值,将它作用到相应的流道区域;简谐分析采用模态叠加法,简谐荷载采用简谐正弦波的形式施加,初始相位均为零,简谐荷载频率为18.19 Hz。计算得出水流脉动压力作用下的泵站结构动位移云图如图2所示。

表2 泵站下部结构频率与脉动压力频率错开度

图2 淮安三站结构动位移云图

从图2可以看出,泵房楼板处振动反应最大,最大动位移为0.114 mm。现行GB 50265—2010《泵站设计规范》提出了对机墩结构的共振、振幅和强度的控制标准,对于卧式机组机墩只可进行垂直振幅的验算,其最大垂直振幅不超过0.15 mm。但对于楼板等薄弱构件,以及在脉动压力作用下的厂房振动缺乏明确的技术标准,马震岳等[13]结合振动对建筑物的影响评价,参照国内外有关建筑结构等方面的技术标准,提出了确定厂房振动控制合理标准的建议,即建筑结构振动允许位移为0.15～0.20 mm。因此淮安三站灯泡贯流泵站结构所产生的动位移较接近建筑结构振动允许位移值标准,应对泵房楼板处的振动引起足够的重视。

4 抗振减振措施

结合淮安三站工程具体情况,通过改变泵房楼板的厚度以及梁截面尺寸(原始设计尺寸为楼板厚0.20 m,梁截面尺寸为0.30 m×0.70 m)来分析淮安三站的抗振减振措施,有限元计算得出泵房下部结构频率与水流脉动压力两者的频率错开度如表2所示。

由表2分析可知,加大泵房楼板的厚度以及梁截面尺寸都可以提高结构自振频率,使其远离脉动压力频率,避免结构发生共振。较之原始泵房楼板和梁截面尺寸,当板厚提高至0.25 m、梁截面尺寸加大至0.35 m×0.90 m以上时,可使泵站结构自振频率错开脉动压力频率超过20%,达到避免结构共振的目的。

5 结 论

a. 淮安三站下部结构基频为20.02～20.72 Hz,与水流脉动压力频率18.19 Hz较为接近,引起现存振动问题的主要成因为下部结构与脉动压力发生共振,另由动力响应分析结果得知泵房楼板处振动反应最大,最大动位移达0.114 mm,接近厂房振动允许的限值。

b. 通过改变楼板厚度和加大梁截面尺寸等抗振减振措施可提高下部结构的自振频率,较之原始泵房楼板和梁截面尺寸,当板厚提高至0.25 m、梁截面尺寸加大至0.35 m×0.90 m以上时,可使泵站结构自振频率错开脉动压力频率超过20%,从而使其远离水流脉动压力频率,达到抗振减振的目的。

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Vibration characteristics and resistance of structures of Third Huaian Pumping Station

//XIAO Ye1, DING Xiaotang2

(1.FacultyofCivilandArchitectureEngineering,EastChinaUniversityofScienceandTechnology,Nanchang330013,China; 2.CollegeofCivilandTransportationEngineering,HohaiUniversity,Nanjing210098,China)

In order to analyze the vibration characteristics and causes of structural vibration of the Third Huaian Pumping Station, a three-dimensional finite element model was established, using the finite element-based dynamic analysis method, according to the structural characteristics of the bulb tubular pumping station. The finite element model was used to analyze the self-vibration characteristics, dynamic responses, and causes of vibration; measures for vibration resistance and reduction were also studied. The results show that the main cause of vibration of the Third Huaian Pumping Station is the resonance vibration induced by the substructure and fluctuating pressures of water flow. Under fluctuating pressures of water flow, the structures of the Third Huaian Pumping Station show large dynamic displacements, approaching the maximum allowable displacement of architectural structures. Corresponding measures for resisting and reducing vibration were developed by increasing the floor thickness and beam section size of the pumping station.

bulb tubular pumping station; vibration characteristics; fluctuating pressure; dynamic displacement; Third Huaian Pumping Station

10.3880/j.issn.1006-7647.2016.06.016

江西省教育厅科技计划(GJJ4497)

肖烨(1982—),男,讲师,硕士,主要从事结构工程动力分析研究。E-mail: xiaoyebora@163.com

TV675

A

1006-7647(2016)06-0086-04

2015-11-10 编辑：熊水斌)