灯泡贯流式机组厂房动力特性及地震响应分析

黄海龙 王显治

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

灯泡贯流式机组厂房动力特性及地震响应分析

黄海龙 王显治

(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南 昆明 650051)

采用三维有限单元法，结合在建的老挝某水电站，对灯泡贯流式机组厂房的动力特性及地震响应进行了分析研究，并对地震加速度进行频谱分析，从频域角度对结构的地震响应做了初步的探索，为电站设计及类似工程提供参考。

河床式厂房，动力特性，有限元法，灯泡贯流式机组，地震响应

0 引言

随着中、高水头电站开发到一定程度，低水头水力资源逐渐得到重视，灯泡贯流式水电站以其在投资、电站布置和运行等多方面的优越性，已成为开发低水头水力资源的优良机型[1，2]。灯泡贯流式机组厂房由于其结构较特殊，内力情况复杂，动力特性以及在地震作用下的动态响应等问题，需要通过理论与数值研究确定。为了较准确的分析灯泡贯流式机组厂房结构动力特性和动力响应，本文结合在建的大型灯泡贯流式水电站厂房，将梁板柱系统、副厂房、尾水管及厂房主体结构作为整体研究，采用结构动力分析方法，借助ANSYS有限元软件，对该型式厂房的动力特性和地震响应的特点开展了一些初步的研究，以期为设计及类似工程提供参考。

1 工程概况

该水电站位于老挝湄公河一支流上，枢纽主要由河床式厂房和两岸堤坝及坝上非常溢洪道组成。河床式厂房共布置4台65 MW灯泡贯流式机组，单机单缝，厂房空间孔洞跨度较大，转轮直径达7.2 m。

2 计算模型及材料参数

2.1 模型范围

计算模型以厂房标准机组段为对象，该机组段长度21.34 m，上下游宽度为81.13 m，主厂房最大高度59.40 m。基岩向上、下游方向各延伸120 m，底部向下延伸120 m。

模型对厂房流道、周边混凝土及上部结构等均按实际尺寸建模，两侧混凝土的边界因机组分缝按自由面考虑，基岩的各边界施加法向约束。

整体模型和厂房网格分别见图1，图2。

2.2 材料参数

计算模型采用的主要材料参数如表1所示。

3 动力特性分析

因厂房上、下部结构的质量和刚度差异比较大，采用2种模型进行结构的模态分析：

1)整体模型，见图1；2)厂房下部结构模型，见图2，上部结构用Mass21质量单元模拟。

流道内水体用Mass21质量单元模拟，计算采用分块Lanczos迭代法。

根据计算成果，将2种模型的前20阶自振频率提取列于表2。

根据结构自振频率和相应模态结果可知:

1)对整体模型，低阶振型主要体现进水口及上部排架柱、墙的振型，说明排架柱刚度较低，这主要是排架柱跨度较大而构件截面较小所致。同时，有较多阶也都是发生在这些部位，因此这是厂房结构中抗振的重点处理部位，建议设计时在进水口上部排架柱间布置混凝土墙，增强各向刚度。进水口边墙从高阶(14阶)才开始横河向振动，说明本电站进水口拦污栅下游混凝土横梁对进口边墙和中墩支承作用较大，提高了进口高边墙、高中墩的侧向刚度。

2)对厂房下部结构模型，前4阶的振型主要表现为下部结构沿不同方向的振动，分别为横河向、顺河向、水平扭转和铅直向，说明厂房下部结构水平两向刚度较小，同时还应特别注意由于结构质量、刚度分布不均匀等引起的扭转作用对结构抗振性能的削弱。该厂房设计时在各机组段副厂房两侧分缝处设置了混凝土隔墙，增加了副厂房的顺河向刚度，使副厂房楼板、柱和四周边墙形成了整体箱形结构，高阶振型也多表现为副厂房的整体振动。

4 地震响应分析

为全面了解厂房结构在地震作用下的动力响应规律，使结构设计更加经济合理，本节采用动力时程法，对本厂房结构进行了瞬态动力时程分析，对其总体抗震性能进行综合分析与评价。

4.1 计算模型与假定

1)计算假定：

a.动水压力采用Westergaard公式，以坝面附加质量的形式考虑；

b.为消除基础对地震的放大作用，以无质量地基底部均匀输入的方法考虑厂房和地基间的动力相互作用和地震波的输入；

c.假定结构受水平双向地震作用。

4.2 地震加速度时程曲线

本文选取典型地震波Taft波前20 s加速度数据，并将其加速度最大幅值调整为0.1g(本电站MDE=0.1g)，调整后的水平向Taft波见图3,图4。

4.3 动力时程分析成果

为分析厂房结构在单独地震作用下的时程响应情况，选取结构部分特征点(1点～10点)进行分析，位置见图5，同时将厂房结构各特征点响应参数最值统计于表3。

分析表3中计算结果可知：

1)在结构动位移响应方面，顺河向动位移响应最大，发生在排架顶点(1点)，峰值为28.17 mm，发生时刻滞后其顺河向激励峰值发生时刻(3.72 s)，滞后现象较为明显；横河向动位移在进水口顶部(8点)达到峰值21.05 mm，上部排架及胸墙部位也出现较大横河向动位移，亦是墙体横河向刚度偏小的缘故。由此可知，地震作用下，动位移响应较大的部位主要分布在厂房上部结构、进水口边墙及胸墙位置。

2)在结构动加速度响应方面，响应规律与动位移响应规律基本一致，结构顺河向、横河向动加速度在上部排架顶点(1点)最大，较输入波加速度峰值放大约6倍和10倍，主要是厂房上部结构高程较高，各向质量与刚度相对弱小，受到了经过下部主体结构放大后的地震加速度，因而动力响应远超过下部结构的动力响应，发生了明显的“鞭梢效应”；另外，由于厂房进水口边墙横河向刚度较弱，横河向加速度在边墙最顶部(8点)处也较大。

3)在结构动应力响应方面，第一主应力响应峰值发生在6点处，即发电机吊物孔角点，数值为4.03 MPa；另外各向动应力较大值还出现在管型座及进口边墙底部，超过混凝土动态设计抗拉强度，因此建议设计时对上述局部部位加强配筋，提高其抗震能力。

4.4 地震加速度频谱分析

结构在地震作用下的响应，一方面取决于结构自身的动力特性，另一方面还与地震作用的大小及地震波的频谱特性密切相关。

1)输入地震波的频谱特性。

本节采用快速傅立叶变换法(FFT)，对地震加速度进行频谱分析。针对调整后的Taft波进行傅立叶变换，得到了两个方向地震波变换后的幅度谱，见图6，图7。各向地震波相应的主频和主频域分布见表4。

由频谱分析可看出，调整后的Taft波的频率分布范围较宽，优势频率主要集中在0 Hz～10 Hz，故此地震波能量集中在低频部分，是一个以低频为主的地震波。

由厂房动力特性分析知，整体结构的前20阶自振频率分布较密集，且主要集中在1 Hz～10 Hz之间，与地震优势频率比较接近，尤其是整体结构的前3阶自振频率与地震波的主频非常接近，振型主要表现为厂房上部排架柱的振动，故这些薄弱部位易在地震作用下产生较大的响应，甚至可能发生明显的“鞭梢效应”。

2)地震响应加速度的频谱分析。

为进一步分析输入地震波的频谱特性与结构地震反应的关系，选取厂房结构薄弱部位的特征点加速度响应频谱进行分析，即厂房进口边墩顶点(8点)和排架中部顶点(1点)，相应的加速度响应频谱见图8，图9，各特征点加速度响应峰值及对应响应主频见表5。

分析以上结果可知：

特征点的地震加速度响应主频均在输入波的优势频率范围内(0 Hz～10 Hz)。厂房上部排架的基频均较低，与输入波的主频较接近，且其响应主频也主要在输入波能量集中的低频部分(0 Hz～5 Hz)，因而这些部位的地震响应比较大，与前述结论一致。

副厂房楼板在地震作用下主要关注其竖向振动响应，经分析，楼板振动主要出现在第11阶后，自振频率相对较高，其第1阶自振频率约12.09 Hz，错开了输入Taft波能量较为集中的低频部分(0 Hz～5 Hz)，加之本电站副厂房楼板四周均有墙体支撑，形成箱体结构，提高了整体刚度，故地震作用下的振动反应也相对较小，但副厂房是运行人员工作及各类仪器设备布置的场所，其振动幅值也应引起足够重视。

5 结论与建议

1)灯泡贯流式机组厂房上部排架柱结构部位刚度最薄弱，是厂房结构中抗振的重点关注部位，必须采取有效措施防止发生共振，可考虑改善结构增加刚度，如柱间砌体墙改为混凝土墙结构，适当缩小柱间距及加大柱断面；加强厂房上部结构之间的联系，如将屋顶桁架与排架柱铰接，将上下游排架柱相关联，提高上部结构顺河向刚度。另外，进口中墩及边墙一般较高，侧向刚度较小，其自振频率亦不高，也应引起抗振重视，建议可在拦污栅下游适当高程处增加横梁支撑，提高进水口横河向刚度，进而提高厂房整体抗振性能。

2)灯泡贯流式机组厂房结构在地震作用下，也表现出流道中段大孔洞位置各向刚度较小，地震响应应力相对较大，建议对应力响应较大的部位，尤其是管型座上下支柱区域，还需承受机组振动等影响，需加强局部配筋，提高其抗振能力，以利灯泡体的安全。

3)通过对输入地震波和地震响应加速度的频谱分析，所得结论与动力时程法分析所得的结论是一致的，说明通过对结构自振特性分析和对输入波频谱分析，可实现对厂房结构进行抗震薄弱部位定性分析，亦可作为结构抗震分析结论的补充和论证依据。

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Abstract： Based on a hydropower station which is under-construction in Laos, a dynamic characteristics research and a preliminary discussion of seismic response of the bulb tubular hydropower plant has been conducted by means of 3D finite element analysis method. Besides, frequency spectrum analysis of earthquake acceleration is performed based on the result of dynamic time-history analytical method, then, a preliminary study on the structure seismic response from the perspective of frequency domain is put forward, which will be helpful for the plant design.

Keywords： riverbed-hydropower house, dynamic characteristics, finite element method, bulb tubular unit, seismic response

Studyondynamiccharacteristicsandseismicresponseofthebulbtubularpowerhouse

HuangHailongWangXianzhi

(ChinaPowerGroupKunmingEngineeringCorporationLimited,Kunming650051,China)

1009-6825(2017)25-0043-03

TU318

A

2017-06-23

黄海龙(1987- ),男，硕士，工程师； 王显治(1983- ),男,硕士,高级工程师