某电站安装间梁板结构与厚板加肋结构三维静动力对比分析

2020-11-19葛瑶

陕西水利 2020年9期

葛瑶

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西西安 710001）

1 前言

厚板结构在厂房设计中鲜有用到，厂房设计采用梁、板结构较多。虽然厚板结构在布置上有很多优势：结构设计相对简洁，机、电设备的开孔位置及大小调整对楼板布置影响较小，便于施工，对于某些设备布置对空间要求高、而厂房高度尺寸略显紧张的设备室可以增加其有效空间。但是这种布置方式对厂房整体结构受力有何优势，需要进一步通过计算分析来确定。本文考虑到厂房跨度较大，纯厚板结构的板的厚度过厚，因此将厚板结构优化调整为厚板加肋结构。

2 计算方法

采用大型通用有限元软件ANSYS 进行分析研究。其中结构静力分析采用线弹性本构模型，采用整体模型SOLID65 单元进行模拟。单元应力与应变关系的总刚度矩阵表达式为[1-2]：

式中：Nr为加固材料的数目；为加固物的体积率；［DC］为混凝土的刚度矩阵。

动力分析采用模态分析法，模态分析可以确定结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），固有频率和振型是承受动态何在结构设计中的重要参数。结构用有限单元离散化后的运动方程可表示为[3]：

式中：[M]、[C]、[K]为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{F（t）}为动力荷载；{u}为节点位移。

3 工程案例

某电站厂房属2 级建筑物，主厂房内布置2 台立式混流式水轮发电机组和2 台单级立轴混流式水泵水轮机组—发电电动机组，主机间由4 台机组“一”列式布置，副厂房位于主厂房上游侧，安装间位于主机间一侧，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，并设一台32/5 t 桥式起重机，单独用于阀室内工作（本文计算的是安装间，工程概况着重对安装间的布置及尺寸进行描述）。

安装间是机组安装和检修时摆放、组装和检修主要部件的场地。安装间结构见图1 和图2。

图1 厚板加肋结构平面布置图

图2 梁板结构平面布置图

梁板结构与厚板加肋结构的尺寸见表1。结构物理学参数见表2。

表1 计算结构参数

表2 结构物理力学参数

本文旨在研究两种结构在静力与动力作用下的结构优势，故在计算中静力计算参考《水工建筑物荷载设计规范》（SL 744-2016）中相关要求取楼面活荷载60 kN/m2；动力工况考虑模拟地震力作用，地震烈度为Ⅷ度，场地类别为三类，计算方法为振型分解反应谱法，计算工况见表3。

表3 计算工况与荷载

建立安装间整体结构的三维有限元仿真计算模型，模型的坐标原点取厂横0-010.50 与厂纵0+000.00 交点安装间结构底部处。X 轴为厂纵方向，Y 轴为厂横方向，Z 轴为铅直向。计算模型采用solid 65 六面体块单元。有限元模型见图3，荷载分布见图4。

图3 有限元计算网格模型

图4 荷载分布图

4 结果分析

4.1 静力计算结果分析

梁板结构计算结果见图5～图8。

图5 梁板结构X 向应力云图

图6 梁板结构Y 向应力云图

图7 梁板结构Z 向应力云图

图8 梁板结构总位移云图

厚板加肋结构计算结果见图9～图12。

图9 厚板加肋结构X向应力云图

图10 厚板加肋结构Y向应力云图

图11 厚板加肋结构Z 向应力云图

图12 厚板加肋结构总体位移云图

梁板与厚板结构最大应力分布见表4。

应力计算结果表明，两种结构的受力一致，应力分布基本规律一致，厚板加肋结构整体应力水平较薄板结构减小。总体变形梁板结构2.384 mm，厚板加肋机构1.983 mm，随着计算中结构刚度的增加，总变形减小。

整理两种结构的配筋计算，结果见表5。根据体型，计算两种结构的工程量以及各结构中梁板的配筋面积，见表6。通过表6 可以看出，厚板结构较梁板结构的混凝土量增加4%，受力钢筋配筋面积减少24%。从投资角度考虑，明显厚板加肋结构在保证了结构安全可靠的基础上更优。结构设计一方面要保证结构的安全，也要根据结构的特点采用最合适的结构形式，对于安装间采用厚板结构，不仅与梁板结构的工程量相当，而且对于设计和施工都更便捷。