新疆某水利枢纽工程主厂房结构地震工况共振复核分析

刘怒涛，吴俊杰

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

水电站厂房是将整个水利枢纽中的水能转变为电能的生产场所[1]。它是混凝土建筑物、发电机械及一系列电气设备的集合体，同时也是生产运行人员的工作与活动场所[2]。对于水电站厂房中的机组来说，在运行时产生振动是在所难免的，若其振动频率达到厂房结构的固有频率时，产生振幅与摆动将会大于其允许的变形量，这将可能导致结构的损伤[3- 6]。厂房结构的安全运行能为内部各种必需的机电设备创造良好的安装、运行和检修条件，为运行人员提供良好的工作环境[7- 8]。因此，厂房能否稳定运行对整个水利枢纽工程至关重要。

水电站主厂房是由下部的大体积混凝土与上部框架等结构组成综合体，该结构内部有蜗壳、尾水管、机墩、风罩、水下墙和各层板梁等，结构形式十分复杂，传统的结构力学法难以反映结构实际的受力状态和变形情况。传统的结构力学法无法计算厂房这类复杂结构的固有频率，因此，本文采用三维有限元软件中的Lanczos法，通过将Autodesk revit软件族库中的厂房3D模型导入三维有限元软件进行模态分析[9]，提取厂房整体结构和水下结构各阶振型及频率[10- 12]。本工程位于高地震烈度区域，50年超10%的地震动峰值加速度为193.68gal，对应设防烈度为Ⅷ度，因此，电站在正常运行时如遇见地震，所产生的破坏分为被动震动破坏与主动共振破坏。以往结构震动产生的被动震动破坏通过动力分析后，对应加强构件尺寸或配筋量即可；然而是否产生主动共振破坏跟厂房的固有频率与整个机构内部所有结构的尺寸、位置有关。所以非常有必要复核结构在地震工况的共振特性，在设计阶段作出合理的调整，依此避免结构出现不必要的破坏。

1 工程概况

本工程位于新疆维吾尔自治区境内，是KS河流域规划中的第十个梯级电站。多年平均流量123.4m3/s，水能理论蕴藏量1400MW，是新疆境内水能资源富集的河流之一。电站最小运行水头为91.8m，最大运行水头为138.5m，电站厂房全长116.3m(包括安装间)，宽度25.5m，最大高度(主机间)46.43m，为岸边、地面式厂房，机组的间距为20.05m。发电机层高程1289.02m，机组安装高程为1276.7m，水轮机层高程为1280.60m，厂房底板高程1263.57m。该工程为大(1)型Ⅰ等工程，电站装机容量460MW，厂房为2级建筑物。电站以发电为主，兼有灌溉和防洪效益。厂房抗震设防烈度为Ⅷ度，厂房轮廓尺寸详见厂房剖面布置图，如图1—2所示。

图1 主厂房横剖面图

图2 主厂房纵剖面图

2 计算模型及网格剖分

本次计算采用一个标准机组段，通过建立主电站厂房一个标准机组段的整体模型(包括水上框架结构和水下大体积混凝土结构)，水下(发电机层以下)结构模型，不考虑上部框架结构，只考虑厂房下部的风罩、机墩、蜗壳、尾水管等主要结构，计算整体模型与水下结构的振动特性。

水电站厂房网格划分的精细程度是决定计算结果精度的前提。为了提高计算速度可以根据厂房结构的受力情况，适当控制网格的疏密程度，以便达到保障计算精度、降低网格单元数量的目的，主电站厂房整体模型的网格剖分如图3所示，主厂房下部网格剖分模型如图4所示，本次计算采用C3D8实体6面体8节点网格单元计算主厂房与其下部结构的振动特性。厂房整体模型总节点数为28378个，最大单元数为32586个。厂房下部模型总节点数为24124个，最大单元数为28388个。

图3 主厂房整体模型网格剖分模型

图4 主厂房下部模型网格剖分模型

3 计算方法及材料参数选择

由于主厂房结构非常复杂，数值计算采用有限单元法进行。该方法计算的通用性和可靠性较好，计算的材料力学参数见表1。

表1 材料的力学参数

4 结构自振频率和地震工况共振复核

4.1 结构自振频率成果

ABAQUS作为最强的有限元软件已经被广泛地应用于各行各业，不但可以计算非常复杂且庞大的力学结构系统，而且最出色的是能够模拟高度非线性问题[13]。其通用模块包括动力显示、地应力、热传递、质量扩散、渗流-应力耦合及固结、静力通用、静态屈曲等分析步，动力分析模块包括屈曲、频率、静力线性振动、稳态动力学、子结构等分析步，同时还可计算CFD模型、电磁模型等[14]。本次采用该软件的动力分析模块中Lanczos方法提取厂房结构前30阶频率与振型[15- 18]。主厂房整体结构与下部厂房结构的各阶振动周期与频率计算结果汇总见表2。整体模型第1阶振型如图5所示，下部模型第1阶振型如图6所示。

表2 主厂房结构固有振动频率计算结果汇总表

图5 整体模型第1阶振型示意图

图6 下部模型第1阶振型示意图

4.2 结构振型计算结果分析

从图5—6以及计算结果可以得出结构可能的振动形态，由于厂房上部主要是框架结构，所以框架整体刚度较厂房下部刚度低，第1阶周期为0.544s，频率为1.837Hz，根据结构尺寸可知框架X轴向刚度相对低于Y轴向刚度，因此，主振方向为X轴向，这与计算结果比较吻合，同时也符合一般水电站厂房的变形规律，如图5所示。第2阶振型为上游一排立柱向Y轴方向运动，而下游厂房立柱基本保持不动。相反，第3阶振型为下游一排立柱的向Y轴方向运动，而上游厂房立柱基本保持不动。第4阶振型表现为框架的整体扭转振动。以后各阶振型的形状就相对比较复杂，主要显示出高阶的弯曲或扭转振动。在整体结构模型中，下部大体积结构的振动形态难以得到鲜明体现，上部结构中上游板、梁结构的刚度相对较小，所以，前几阶振型主要是墙板结构的局部弯曲和扭转振动。然而，整体结构在X轴向或Y轴向弯曲变形，和整体的扭转变形表现的并不明显。为此，又单独选取发电机层以下结构进行分析。

下部厂房的刚度相对较大，第1阶周期为0.088s，频率为11.67Hz，与整体结构一致，厂房下部结构X轴向刚度相对低于Y轴向刚度。因此，主振方向为X轴向，这与计算结果比较吻合，如图6所示。其余结构形式较为复杂，每阶周期与频率相差不大，即间隔密集。

4.3 地震工况共振复核

根据所提供的地震反应谱数据，场地地震的特征周期为0.1～0.2s，将之与表2厂房结构的自振周期对比得出，厂房下部结构的刚度较大，自振周期较短，一般小于0.1s，在地震的特征周期之外；厂房上部框架结构的柔度较大，自振周期较长，第一阶振型的周期为0.543s，第5阶至第10阶的自振周期为0.102～0.171s，在地震的特征周期之内，考虑第5阶至第10阶对厂房结构贡献率较小，因此，可能不会产生较大的应力集中。但是，还是可以调整结构尺寸，以避免结构的主振周期内出现与地震特征周期接近的现象。

5 结论

(1)较传统力学计算法，采用数值模型可以更好地解决对此类复杂结构共振分析评价困难的问题，同时计算结果的精度也会越来越高。

(2)利用三维有限元软件对新疆某水电站厂房结构进行模态分析，得到了厂房结构的振型和固有频率，对厂房结构进行了地震共振分析。结果表明，厂房上部结构的刚度较低，第5阶至第10阶的基本自振频率相对接近于地震的特征频率，厂房上下游框架结果的振动幅值不大，也不存在明显的共振和振动区间，表明设计的机组运行参数合理。