水电站厂房结构自振特性分析

鹿宁

中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司 陕西西安 710065

某处以水电站厂房结构尺寸在105．8m×40．2m×94．1m（长×宽×高），其中一共布置了4台机组，主要运用的是一机一缝的方式来进行布置。水库正常化蓄水位在1022m，电站装机容量则在560MW，诸多年来的平均发电量在25．07亿kW·h，相应的机组在额定工况之下的转速在60r/min[1]。

1 概述

对于水电站厂房而言，自振特性则是其自身固有且尤为关键的力学性能，主要涵盖阻尼比、振型、自振频率等等，这是衡量其自身刚度合理性的重要指标。作为其自身特点的关键参数之一，其自身的频率将直接影响工厂结构的功率，这是水电站电力研究的真正基础。近年来，许多专家学者增加了水电站自身频率分析的实力，取得了重要成果。通过对水电站下各电网支护方式和仿真模式对全厂固有频率影响的研究分析，研究了该装置振动负荷的相应响应。根据各种研究，电网支持和模拟方法对工厂子结构的振动频率影响较大，因此有必要根据正确的尺寸构建包括网格结构的计算模型[2]。潜在流体单元用于模拟水电站流道中的水体，应用粘弹性边界模拟地面效应，不考虑水体模型和流体相互作用。据信其下方植物结构的自振频率对水体的频率和动态具有显着影响，但只有水库和尾水的附加质量引起非常大的误差。

2 厂房结构自振特性

如图1所示，在实现结的模态相位的过程中，适当地给出了三个模型之后的10阶固有频率的比较。计算结果表明，边界条件对固有频率和振动形状的影响较大[3]。在一个模型中，除第4和第8局部部分恢复外，其他阶段是地板震动的垂直振动和部分框架的垂直位移；第二和第三模型的振动模式在地板上都是垂直的。与模型2和模型3相比，模型1的10阶固有频率非常小，模型结构的振动周期相对较短，结构刚度较高。三周边岩石限制模型各阶段的自振频率高于周围右模型的自振频率，围岩的约束是模型的自然振荡频率和建筑物结构的周围环境。表明它对岩石的局限性影响较大，地板振动也增加。

图1 不同边界条件下模型的自振频率对比

3 自振频率与各影响因素的关联度分析

3.1 各部分弹模对自振频率的影响度

水电站厂房混凝土结构总体上通常分两期施工，一期混凝土重要包含流道底板、引水管、上游胸墙等上游以及上部基础结构，二期混凝土重要包含下游胸墙、蜗壳、发电机墩、座环基础、流道以及发电机层超过混凝土结构等[4]。

不同标号混凝土的弹性模量有所不同，现设立下列三组方案，研究一期混凝土、二期混凝土以及地基三者的弹性模量对于水电站厂房自振频率的影响｡其中A组方案之中地基弹模维持绝不变，厂房一、二期混凝土等级标号依次取作为C10、C15、C20、C25、C30、C35 以及 C40，弹模改由 17．5GPa 变动到32．5GPa，而且二者保持一致（依据全新水电工程水工建筑物抗震设计规范，混凝土动态弹性模量可比静态提升50%，后文之中混凝土以及地基的弹模值域均为静态标准值E0，于模态测量中取作为1．5E0）；B组方案之中厂房一、二期混凝土标号绝不变（C30），地基弹模依据通常工程地质由7．4GPa变动到11．0GPa；作为分析一期与二期混凝土对于厂房自振频率的影响程度大小，C组方案之中地基弹模维持不变，厂房一期与二期混凝土依次取有所不同标号｡三组研究方案之中一期、二期混凝土容重均取作为25kN/m3，泊松比取为0．167；地基的泊松比取为0．25，绝不考量地基的容重｡

3.2 各部分容重对自振频率的影响度

为分析一期、二期混凝土容重对于水电站厂房自振频率的影响，依据实际工程之中的取值范围，把混凝土容重改由23．0kN/m3变动到26．0kN/m3｡其中，D组之中两期混凝土容重变动相同；E组之中作为导出各部分混凝土容重对于自振频率的影响度，依据关联度研究之中早期数据的需要，两期混凝土容重有所不同而且有各自的变化规律｡各方案之中一期、二期混凝土弹性模量取作为28GPa，泊松比取为0．167；地基弹性模量取作为8GPa，泊松比取为0．25。

3.3 弹模和容重影响度综合分析

上述以此单因子函数法依次研究了水电站厂房各部分弹性模量与容重和其自振频率的相关度。获得了仅考量弹模与仅考量容重时，各部分对于应参数和厂房自振频率的普遍规律和影响程度[5]。不过，厂房自振频率和这两个因素均具有比较紧密的联系，实际工程之中常常需掌控尤为复杂的因素，以更为精确地对于其自振频率加以控制。

总之，通过对地上式水电站厂房结构的自激振动特性和厂内止水装置的研究分析得出以下结论。（1）在水力发电厂的固有振动特性中，发电机地板更难以超越该结构。它可能会导致振动或损坏。（2）在对工厂结构进行静态研究时，止水设置对结构力学性能的影响相对较小，从而使结构的位移和应力条件相对较差，混凝土也是如此。由于整合的经济和工程意义很小，整个工厂结构需要在各种运行条件下进行调整。