三河口水利枢纽厂房安装间结构布置与设计的安全性分析

2020-09-17薛一峰程汉鼎张家旗

水利规划与设计 2020年9期

薛一峰，程汉鼎，何岚，张家旗

(陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001；西安理工大学，陕西西安 710048)

三河口水利枢纽位于陕西省佛坪县与宁陕县交界的子午河中游狭谷段，工程包括水库工程、泵站工程、电站工程、坝后连接洞工程4部分[1]。拦河坝为碾压混凝土拱坝，坝后泵站设计抽水流量18m3/s。三河口水利枢纽处于秦岭山区，是具有供水抽水发电等多功能的调节性水库，工程运行条件极其复杂[2- 3]。因此，其电站厂房定位二级建筑物，防洪标准50年设计，200年校核。厂房的安装间是安装和检修机组主要部件的场所。厂房的机电设备运抵三河口水利枢纽后，需要在安装间进行卸车、组装。另外，在电站运行、主机组大修时，也需要将其放在安装间，一般情况下，大修1台机组需要1个月左右[4]。综上所述，安装间对厂房施工进度及运行管理有极大影响，对厂房安装间的布置和结构设计开展定量分析非常重要。

厂房安装间结构设计时，主要考虑四大件：发电子转子发电机上机架水轮机转轮水轮机顶盖，其中发电机转子需要在安装间进行组装和修理，安装间楼板相应位置要开比大轴法兰稍微大一些的检修孔[5- 7]。因此，此处结构安全需要重点分析。

洪振伟[8]对梨园水电站厂房开展三维有限元分析，验证了厂房结构的安全性。黄炳照[9]对小型水电站厂房如何布置开展了探讨。张捷[10]对维捷布斯克水电站厂房布置及结构设计特点进行了介绍。徐岚[11]对厄瓜多尔TP水电站安装间板梁修复开展了验证分析。吕忠良[12]针对小型水电站厂房安装间的设计开展了研究，认为应该对荷载最大的安装间楼板开展分析，优化其结构体系。但以上均为定性分析，认为安装间结构需要在考虑安全性基础上合理布置和设计，未针对安装间结构设计形式的安全性开展定量分析。

本文拟以三河口水利枢纽厂房安装间为研究对象，研究其结构布置和设计的安全性，运用三维有限元方法针对安装间底板、框架结构和转子检修孔边结构开展仿真分析，提出新型设计形式，验证安装间结构设计的安全性，以期为厂房安装间的结构安全设计提供技术参考。

1 有限元原理

采用大型的有限元通用程序ANSYS，基于弹性力学变分原理建立弹性力学问题有限单元表达格公式[13]。通过构建单元刚度方程，获取所有单元计算点的刚度矩阵，通过确定位移的边界条件，构建总体刚度方程。通过迭代法，求解方程组，获取各单元对应的应变和应力及其变化过程[14]。本文仅对单元刚度矩阵和整体刚度矩阵的形成以介绍。

1.1 单元刚度方程

节点位移u与单元应变的关系式：

{ε}=[B]{u}e

(1)

几何矩阵B：

[B]=[L][N(ξi)]

(2)

其中[N(ξi)]为形函数矩阵。

节点位移u与单元应力的关系式：

{σ}=[D]{ε} =[D][B]{u}e

(3)

将虚功方程运用于单元，设相邻单元对该单元作用的节点力为{f}e。节点虚位移{δu}e可表征单元虚位移{δu} 和单元虚应变{δε}，则该单元平衡方程：

(4)

设

(5)

将(3)代入上式，便得单元刚度方程：

[k]e{u}e={f}e+{q}e

(6)

其中单元刚度矩阵：

(7)

1.2 总体刚度方程

单元节点位移向量u和总体节点位移向量U之间的关系：

{u}e=[A]e{U}

(8)

由式(4)、(5)和(8)，可得

(9)

令

(10)

(11)

则总体平衡方程如下：

(12)

由式(10)和式(11)，可得

{σ} =[D][B][A]e{U}

(13)

将式(13)代入式(12)获取总体刚度方程：

[K]{U}={P}

(14)

其中总体刚度矩阵：

(15)

2 三河口水利枢纽厂房安装间

2.1 工程概况

三河口水利枢纽具有工程具有供水、调蓄、发电功能。工程包括水库工程、泵站工程、电站工程、坝后连接洞工程 4 部分(如图1所示)[15- 17]。其中电站总装机 64 MW，厂房由 2 台常规机组与 2 台双向机组组成。电站工程具有抽水(向水库补水)和发电(向关中地区供水)两种运行情况：泵、电站合用1个厂房、1套输水系统，选用2台12MW可逆式水泵水轮机组(单台抽水设计流量9m3/s)适应抽水和发电两种功能，另外设置2台20MW常规水轮发电机组(单台设计流量23m3/s)，总装机64 MW[18]。在安装间上游侧布置有供水阀室，阀室内布置2台DN2000减压调流阀，并设1台32/5t桥式起重机，单独用于阀室内工作。

图1 三河口水利枢纽枢纽布置图

三河口水利枢纽厂房建筑物级别为2级，安装间在主厂房左侧，错层布置，地面高程为542.50m。安装间尺寸28.0m×16.0m，进厂大门设在安装间左侧，大门尺寸6m×7.5m(宽×高)。安装间下部532.4～538.60m高程布置油库、油处理室和空压机室。三河口电站厂房安装间模型如图2所示。

图2 三河口水利枢纽电站厂房安装间模型

三河口水利枢纽厂房基础置于微新岩体，岩石饱和抗压强度Rb=82～85MPa，岩体基本质量级别为Ⅱ级，承载力标准值fk= 3.0MPa。

三河口水利枢纽厂房安装间结构布置如下：安装间位于主厂房下游侧，为了与厂外交通衔接，与主机间错层布置。安装间尺寸22.5m×18.0m。安装间下部布置水机副厂房和空压机室。安装间与主机间、主变室、供水阀室间皆设永久缝，建筑物结构独立，受力明确。三河口电站机组采用上拆检修方式，厂内设1台QD75/20T桥式起重机。安装间平面布置如图3—4所示。

图3 安装间下层结构布置图(单位：mm)

图4 安装间上层结构布置图(单位：mm)

2.2 厂房安装间结构安全性分析

在已建工程中，厂房楼板结构大致可分为两类[19]，一类是如国内十三陵电站等采用的厚板结构，另一类是传统的板梁组合结构。厚板结构具有显而易见的施工方便、各层顶板电缆桥架布置灵活等优点，而梁板结构通常会影响电气设备的有效使用空间[20]；此外，在结构振动特性方面，厚板结构一般比梁板结构更具优势，因为在具有与板梁结构相同静力刚度的前提下，其振动频率略高于板梁结构的频率，这对防止共振的发生是有效的。由于安装间结构完全独立，其承担的主要动力作用为设备或检修件的冲击荷载，相较主机间结构承受机组振动作用的影响，改善其动力特性意义不大。但考虑吸取厚板结构施工方便的优点，并在一定程度上增大结构刚度，三河口水利枢纽厂房安装间结构设计采用中厚板+主梁(不布置次梁)型式，中厚板与边墙之间增强联结，即二者一起浇筑使它们形成整体，孔洞周边无集中荷载作用时采用暗梁加强方式予以处理。转子检修孔边的楼板一般均承受较大的集中荷载，对此设计采用中厚板+圈梁的型式处理。运用三维有限元方法针对安装间底板、框架结构和转子检修孔边结构的新型设计形式开展仿真分析，验证安装间结构设计的安全性。

2.2.1安装间底板结构

(1)构建模型

安装间底板承受上部传递下来的全部荷载，其传递路径为牛腿柱+梁板及楼面→安装间外墙+框架柱→底板→基岩，楼板与框架柱、外墙刚性连接。因此，自上而下取牛腿柱、安装间整体结构建立三维有限元模型。边界条件为：底面按固定约束，侧面因设有结构缝，不设约束。模型中安装间基础单元大小为0.5m，梁板柱墙等构件单元大小为0.2m。运用三维有限元方法对安装间底板仿真分析，验证安装间底板结构设计的安全性。

(2)荷载工况

检修工况，安装间承受最大荷载，且模拟全负载吊车运行到对基础底板结构最不利的跨段时。

(3)荷载种类：①结构自重；②设备自重；③土压力；④扬压力。

(4)静力计算分析

图5 安装间底板大主应力分布及破坏图(单位：MPa)

图6 安装间底板大主应力分布及变形图(单位：MPa)

图7 安装间底板主应力分量S33分布图(单位：MPa)

图8 安装间底板主应力分量S22分布图(单位：MPa)

图9 安装间底板主应力分量S11分布图(单位：MPa)

图10 安装间全局模型大主应力分布及变形图(单位：MPa)

从图5—图10的计算结果可以发现，安装间底板混凝土除上游侧吊物孔角部应力超限外，混凝土破坏主要发生于位置较高且厚度相对较薄的支承外墙部位，大主应力最大值出现在该位置底板上缘中部，数值为3MPa拉应力，最小值出现在相邻安装间外墙下部，其值为0.93MPa压应力。分析整体模型可知，安装间通往主机间一侧由于开口设柱，其刚度远小于外墙，上部荷载主要通过其它三面墙向下传递，而上部吊车行程及安装间外墙下较薄的底板混凝土厚度显然成为该部位应力较大的主要原因。

从以上三维计算结果来看，本次安装间底板三维计算成果符合该厂房受力规律，同时从计算结果可以看出，底板下部主要受压，上部因变形产生较小拉应力，而主控部位应为外墙下底板外缘中部。

采用[21]SL191—2008《水工混凝土结构设计规范》中的拉应力图形法对该部位结构进行配筋算得单宽范围内所需配置主筋的面积为2742mm2，而根据底板最小配筋率换算所需面积为2123mm2/m，因此实配钢筋选用28@200(面积3079mm2/m)，钢筋顺长按上下游方向摆放，沿进出水方向等间距布置。

因此，安装间底板结构的安全可通过配置钢筋[22]满足承载能力极限状态和正常使用极限状态设计要求。

2.2.2安装间框架结构

(1)框架结构布置

安装间框架体系为两层结构，包括安装间层板梁及支承柱以及空压机室层板梁及支撑柱，下层板厚300mm，楼板上有2个3.975m×1.8m吊物孔、1个3.7m×1.2m楼梯孔和1个1m×1m通风孔，转子支墩从下层穿过楼板，二者固结为一体，梁截面尺寸统一为350mm×700mm，梁最大跨度5.7m垂直水流方向布置；上层板厚400mm，楼板上有2个3.9m×1.8m吊物孔、1个3.75×1.2m楼梯孔和1个直径1.35m检修孔，梁截面尺寸统一为500mm×1300mm，梁最长跨5.7m和次长跨5.55m垂直水流方向布置于上游侧的两跨，该两跨相连的部位在框架柱两侧各设置0.3m×1m(厚×长)剪力墙一道；框架柱截面尺寸800mm×800mm，下层共设置4根，上层共设置8根，上、下游侧2排柱分别坐落在安装间底板和侧墙上。该两层框架体系上层与牛腿柱相连，承受上部结构传下来的荷载。

(2)三维仿真计算

安装间框架三维模型如图11，由于安装间通往主机间一侧的刚度较另一侧小，在安装间层楼面检修荷载作用下，在梁上会产生较大的弯矩和扭矩，不利于结构安全以及框架整体的变形协调。为改善该部位梁的受力条件，设计在安装间上层跨度最大的两跨梁端设置两段剪力墙，分别与框架柱两侧固结，墙顶则与梁底固结。分析图12—15计算结果可见，安装间框架梁系内力分布较为合理，满足结构设计要求。该结构布置的框架柱计算符合常规，此处不再赘述。

图11 安装间框架三维模型

图12 下层梁截面设计弯矩包络图(单位：kN·m)

图13 下层梁截面设计剪力包络图(单位：kN)

图14 上层梁截面设计弯矩包络图(单位：kN·m)

图15 上层梁截面设计剪力包络图(单位：kN)

2.2.3转子检修孔边结构

(1)模型建立

转子检修孔边由于受检修设备的集中荷载作用，孔边按前述设计原则需设置圈梁。为分析圈梁及其周边结构的受力条件并配筋，取安装间层板梁柱(包括剪力墙)结构单独建立三维有限元模型。边界条件为：梁柱(墙)端与板端按固定约束，设置结构缝的构件侧面和板面自由。

(2)荷载工况

圈梁结构设计按承受检修设备最重件的自重考虑，经与安装间层楼面荷载比较略小于楼面荷载，计算中仍统一按楼面荷载大小取值。

(3)静力计算分析

由图16—17计算结果表明，在检修工况的最不利荷载作用下，采用中厚板+圈梁(不设次梁)的结构型式，通过调整圈梁的截面尺寸，可控制破坏范围仅发生在圈梁上而不会危及与之相连的楼板，圈梁上的内力可通过配筋承担，可见其设计体型尺寸较为合理。分析可知，由于上部检修设备自重即集中荷载作用范围较大，圈梁截面只能考虑宽矮型，若设置过高的圈梁而不设次梁，其对相邻楼板会产生较大不利影响，检修荷载作用在圈梁上难以保证相邻板结构的安全。因此，为简化梁格布置，本设计中对圈梁的截面尺寸做了多次优化计算，得到了以上最终成果。