机墩厚度和开孔率对水电站厂房结构振动特性影响分析研究

罗乾坤，冉昱呈，张顺利，李治国

(中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

0 前 言

发电厂房是水电站的重要建筑物，承担着将水能转换为电能的任务。水电站厂房属于动力厂房，由于结构和功能的需要，运行过程中不可避免地会发生振动[1-2]。近年来，已投产运行的水电站出现厂房振动问题的实例逐渐增多。例如，岩滩水电站自投产以来机组在设计水头以上较高水头段运行时，机组和主机间厂房出现强烈振动，沉闷的共鸣声干扰了运行人员的正常工作，机旁表盘柜由于振动曾发生保护回路压板松动掉落而引起误动作，导致机组停机的事故[3-4]；红石水电站投产以来机组振动大，尤其是在空载无励磁、空载有励磁以及负荷3.8万kW以下区域振动相当严重，主要表现为大轴摆度过大、噪声大，机组段之间横缝逐年增大，厂房四周墙柱出现周边裂缝[5]；张河湾抽水蓄能电站在运行过程中，厂房结构出现了强烈的振动，同时伴随很大的噪声，无论对于厂内设备安全还是运行人员健康都构成了严重影响[6]。

随着西南地区一批巨型电站开工建设，以及我国水电机组设计制造水平的提高，水轮发电机组单机容量不断加大，导致厂房结构尺寸增大和结构形式更加复杂，机组及厂房结构的刚度相对减弱，复杂振源形成的振动能量巨大，易诱发厂房结构的振动。其中，机墩组合结构是主要的机组支撑体系，其刚度对机组的稳定运行具有重要的影响作用[7]。机墩组合结构为承受机组静动荷载的主体结构，自身结构体系较为复杂且开有孔洞。《水电站厂房设计规范》(NB 35011-2016)从保证机组旋转系统的支承结构有足够的刚度、轴系统的自振频率符合共振复核和刚性转子设计要求，以及控制轴系统的摆度不致超标的角度，对圆筒式机墩的共振复核和强迫振动最大振幅进行了规定[8]。

在技施设计初期，由于缺乏详细和准确的机组资料，设计人员一般根据机组规模和特点参照类似工程拟定厂房布置和机墩厚度，后期根据厂家资料采用规范方法或有限元方法对机墩结构进行动力计算。由于担心机墩刚度的减弱造成厂房振动过大，针对机墩厚度和开孔问题，土建和机电专业矛盾较为突出，前者希望机墩厚度更大、开孔尽量少以确保机墩结构具有足够的支撑刚度，后者则希望采用较小的机墩厚度和预留较多孔洞以便有更多空间布置机电设备，以保证检修方便。

为探讨机墩厚度和开孔尺寸对水电站厂房结构振动特性的影响，本文选择某大型水电站2号机组段为例，以机墩厚度和主要廊道开孔尺寸为变量拟定不同机墩结构，进行厂房结构动力分析。

1 计算模型及方案

1.1 工程概况

某大型水电站位于甘孜州泸定县境内，为大渡河干流规划调整推荐22级方案的第12个梯级电站。水电站总装机容量920 MW，单机容量230 MW，共4台机组，发电厂房为岸边式地面厂房。

1.2 数值计算模型

选取2号机组段进行数值模拟计算。2号机组段沿厂房纵轴线方向总长为29.78 m，沿厂房上下游方向宽度为57.70 m，高度从1 275.15 m高程(尾水管底板高程)到1 335.40 m高程(排架顶高程)，共计60.25 m。

数值计算模型(见图1)按照实际尺寸建立厂房整体结构计算模型。考虑基岩作用，上下游侧和底部基岩均为60 m，大致为厂房高度(发电机层楼板高程至建基面高程)的1.5倍。

图1 计算模型示意

计算模型采用笛卡尔直角坐标系，其X轴为水平方向，沿厂房纵轴指向左端为正(面向下游)；Y轴为铅垂方向，向上为正；Z轴为水平方向，指向下游为正。坐标系原点取在水轮机安装高程(1 299.15 m)与机组轴线相交处。基岩底部和上下游侧边界条件采用黏弹性人工边界处理，基岩侧面法向约束。

钢蜗壳、座环、尾水管内衬、机井内衬采用四结点板/壳单元，个别过渡区域采用三结点板/壳单元；混凝土、基岩均采用八结点六面体单元，个别区域采用四面体单元过渡。

1.3 材料特征参数及荷载

1.3.1 材料特征参数

混凝土材料参数及钢蜗壳、座环、尾水管及垫层材料参数分别见表1～2。

表1 混凝土材料参数

表2 钢蜗壳、座环及尾水管材料参数

1.3.2 荷 载

由于本文主要目的是探讨机墩厚度和开孔尺寸对水电站厂房结构振动特性的影响，因此不同方案均采用正常运行工况下机组振动荷载，采用谐响应方法施加荷载。上机架基础、定子基础、制动器基础和下机架基础荷载见图2和表3。

图2 机组基础荷载示意

表3 额定运行工况下单个上机架、定子基础和下机架基础荷载

1.4 计算方案

根据原设计方案，2号机组段机墩处设有机坑进人孔和下机架基础进人通道(见图3)，尺寸分别为2.0 m×1.8 m(宽×高)和1.2 m×1.5 m(宽×高)，机墩外径为19.0 m。为了研究机墩厚度和开孔率对厂房结构动力特性的影响，拟定了如下几种方案。

方案1：机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸分别为2.0 m×1.8 m(宽×高)和1.2 m×1.5 m(宽×高)，机墩外径为19.0 m；

方案2：机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸分别为2.5 m×2.0 m(宽×高)和2.0 m×1.8 m(宽×高)，机墩外径为19.0 m；

方案3：保持机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸分别为2.0 m×1.8 m(宽×高)和1.2 m×1.5 m(宽×高)不变，但将机墩外径增加到20.6 m；

方案4：保持机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸分别为2.0 m×1.8 m(宽×高)和1.2 m×1.5 m(宽×高)不变，但将机墩外径减小到17 m。

2 计算结果分析

2.1自振特性分析

2.1.1 厂房整体结构自振特性

表4为厂房结构在各方案下前20阶自振频率，从表4可以得出：

表4 4种方案厂房前50阶自振频率 单位：Hz

(1)方案1分别与方案3和方案4计算结果对比显示：机墩外径增加到20.6 m后，厂房整体结构自振频率大部分稍有增加，但增幅极小，不超过1%；机墩外径减小到17 m后，厂房整体结构自振频率大部分稍有减小，但减幅极小，不超过1%。由此可见，机墩厚度变化对厂房整体结构的自振频率有一定影响，但影响很小。

(2)方案1和方案2计算结果对比显示：机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸增大后，厂房整体结构自振频率几乎没有变化，即机墩开孔率对厂房整体结构的自振频率影响不大。

(a)机墩平面布置 (b)A-A剖面

2.1.2 楼板结构自振特性

楼板作为厂房结构的薄弱部位且边界支撑为机墩结构，因此对发电机层楼板自振频率和振型进行统计并对比分析。发电机层楼板前20阶自振频率统计见表5。为描述发电机层楼板振型，将楼板分为4个区域(见图4)，4种方案楼板的前10阶振型见表6。

图4 发电机层楼板分区示意

表5 4种方案发电机层楼板结构前20阶自振频率 单位：Hz

表6 4种方案楼板前10阶振型

(1)从表5可以看出，与方案1相比，方案2的自振频率均有所减小，但减小幅度极小，最大仅为-0.16%，可忽略不计。这说明增大机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸不会对楼板自振频率产生影响。同样与方案1对比，方案3自振频率稍有增加，最大增幅2.66%，方案4则稍有减小，最大减幅为-4.2%，这说明机墩外径的变化对楼板自振频率有一定影响，但影响不是很大。

(2)从表6可以看出：4种方案的发电机层楼板振型基本一致，差别不大，说明不同机墩开孔率(机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸、机墩外径)对楼板的振型影响程度不大。

2.2 谐响应分析

机墩作为机组支撑结构，承担了主要的基础荷载；楼板作为薄弱结构，是机电设备和人员活动的主要场所，因此机墩结构和楼板的振动响应是设计者关心的重点。下文对各方案机墩结构和楼板的振幅进行统计分析，研究机墩厚度和开孔尺寸对机墩和楼板振幅的影响。

2.2.1 发电机基础振幅性

表7列出了发电机基础各向振幅的最大值。从表7中可以看出，相比于方案1，方案2发电机基础各部位各向振幅变化幅度较小，均小于3.1%。这说明增大孔洞尺寸对发电机基础振幅影响不大。从方案3和方案4的结果来看，增加或减小机墩外径对上机架基础、定子基础和下机架基础均有较大的影响。增加机墩外径能在一定程度上减小发电机基础的振幅，最大减幅可达-11.43% ；机墩外径减小后，发电机基础的振幅明显提高，特别是上机架基础和定子基础的振幅，其中，Y向振幅最大增加了19.85%，Z向振幅最大增加了17.67%。

表7 4种方案发电机基础振幅 单位：μm

2.2.2 发电机层楼板竖向振幅

表8列出了发电机层楼板特征点的竖向振幅。从表8可以看出，方案2机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸增大后对发电机层楼板竖向振幅没有影响；方案3增大机墩外径后，4个特征点的竖向振幅均有所减小，幅度约在-4.6%～-6.5%；方案4减小机墩外径后，4个特征点的竖向振幅均有所增加，增幅最大达到了15.58%。由此说明，本工程正常运行工况时，在机组振动荷载作用下，机墩外径的增大可以减小发电机层楼板振幅，反之会增大楼板振幅。

表8 4种方案楼板特征点竖向振幅 单位：μm

3 结 论

(1)本文通过对机墩厚度和开孔率对水电站厂房结构振动特征的影响分析研究，得出机墩厚度对厂房结构振动特性的影响：①机墩厚度的变化对厂房整体结构和楼板的自振频率影响很小。②在正常运行工况机组动荷载作用下，机墩厚度变化对发电机基础振幅和发电机层楼板竖向振幅有较大影响。

机墩厚度增大可减少发电机基础的振幅，最大减幅可达到-11.43% ；机墩厚度减小，则发电机基础振幅明显提高，Y向振幅最大增加了19.85%。机墩厚度的增大会减小楼板竖向振幅，反之则会增加竖向振幅，且最大增幅超过了10%，达到了15.58%。③机墩是机组的重要支承结构，也是厂房的核心受力构件，其厚度的增大可以提高厂房的整体刚度和机墩自身刚度，减小发电机基础和发电机层楼板振动幅值，因此可通过优化机墩的厚度改善厂房抗振性能。

(2)机墩开孔率对厂房结构振动特性的影响：①机墩开孔率对厂房整体结构和楼板的自振频率影响很小，绝大部分振型的频率增幅不超过1.5%，对楼板的自振频率和振型几乎没有影响。②在正常运行工况机组动荷载作用下，机坑进人孔和下机架基础进人通道尺寸的增大对发电机基础以及楼板竖向振幅影响不大，增幅均小于3%。③本文所选计算对象机墩开孔率为3.5%，研究结果表明，机墩开孔大小对厂房结构自振特性和谐响应均影响很小。主要原因是水电站厂房机墩开孔率较低，一般为2%～7.5%，因此，满足机组正常使用需求的开孔不会造成机组振动过大。但机墩作为发电厂房的重要支撑结构，为了保持机墩结构设计的整体刚度，应避免过密、过大及在基础板等关键受力部位开孔。