潘口水電站廠房結構三維動力特性分析_自振頻率-論文網(wǎng)

1、潘口水電站廠房結構三維動力特性分析_自振頻率-論文網(wǎng)論文摘要：部分已建水電站的運行實踐表明：廠房振動問題是影響水電站正常運行的主要因素之一，它不僅直接影響到機組的安全穩(wěn)定運行，縮短檢修周期和使用壽命，嚴重時還會引起整個廠房的振動，以至被迫停機，這就需要在設計和建設過程中進行相應的研究，采取有效措施，盡量防止廠房振動的發(fā)生，將損失減小到最小。本文以潘口電站廠房結構為研究對象，利用三維有限元分析了廠房結構自振特性和在地震荷載作用下結構的動力特點，對廠房整體結構共振進行校核和評估，提高電站安全運行和管理。論文關鍵詞：水電站,三維有限元,動力特性,自振頻率1.前言潘口水電站位于湖北省十堰市竹山縣境內(nèi)，

2、地處堵河干流上游河段，壩址距竹山縣城13km，經(jīng)鮑峽鎮(zhèn)至十堰公路里程162km。工程開發(fā)任務以發(fā)電、防洪為主，電站建成后還具有增加南水北調(diào)中線可調(diào)水量，提高南水北調(diào)的供水保證率，改善庫區(qū)通航條件等綜合利用效益。水庫正常蓄水位355.00m，相應庫容19.70億m3，總庫容23.38億m3，調(diào)節(jié)庫容11.20億m3，為完全年調(diào)節(jié)水庫。電站裝機2臺，總裝機容量500MW。潘口水電站工程為一等大(1)型工程。樞紐建筑物主要由混凝土面板堆石壩、右岸岸邊開敞式溢洪道、右岸泄洪洞、左岸引水隧洞、地面廠房和開關站等組成。地面廠房為1級建筑物。為確保水電站廠房的抗震安全穩(wěn)定及電站與電網(wǎng)安全運行,合理模擬結構的

3、抗震數(shù)值模型、地基的邊界條件,分析抗震尤顯重要。多年來,對大型水電站建筑物進行抗震分析時常將整體結構視為剛性體或均勻各向同性的彈性體,忽略結構材料的不均勻性和類別，與實際存在很大差異1,2。鑒此,本文做如下改進:采用非線性三維有限元分析混凝土結構,對流道系統(tǒng)等金屬結構采用滿足Mises屈服準則的等向彈塑性模型;采用ANSYS軟件建立電站廠房三維有限元模型，利用規(guī)范要求的擬靜力法來研究電站動力特性，為廠房安全運行和管理提供依據(jù)。2.結構動力分析原理2.1結構動力平衡方程結構動力分析的有限元法同結構靜力分析一樣，要把結構離散為有限個單元。不過在考慮單元特性時，結構所受到的荷載還需考慮單元的慣性力和

4、阻尼力等因素。采用有限元法分析結構的地震響應時，根據(jù)最小勢能原理可以導出整個結構的動力平衡方程1,3,4:（1）式中，分別為結構的結點位移、結點速度和結點加速度列陣；，分別為系統(tǒng)的整體剛度矩陣和整體阻尼矩陣；是結構的集中質(zhì)量矩陣，可由下列單元剛度矩陣，阻尼矩陣，質(zhì)量矩陣集合而成。式中，為應變矩陣，為彈性矩陣，為形函數(shù)矩陣，為材料的密度，為材料的阻尼系數(shù)，為地震時的地面運動加速度矩陣。根據(jù)基本方程（1），可以求解結構自振特性和地震響應等問題。2.2結構自振特性和振型結構的自振特性（頻率和振型）是結構動力計算中的主要內(nèi)容之一。在動力平衡方程式（1）中，令為零，得到自由振動方程5。在實際工程問題中，

5、阻尼對結構的自振特性影響極小，所以求頻率和振型是可以不考慮阻尼的影響的，所以在動力平衡方程式（1）中，為零，可得到結構的無阻尼自由振動方程:（2）設在自由振動時，各質(zhì)點作簡諧振動，各結點的位移可以表示為（3）式中，為結點振幅列陣（即振型），為與該振型對應的頻率。將式（3）代入式（2），可得廣義特征方程（4）結構在自由振動時，各結點的振幅不全為零，所以式（4）的系數(shù)行列式必須為零，由此可得求解結構自振頻率的方程（5）式（5）稱為特征方程。因為結構的剛度矩陣和質(zhì)量矩陣都是n階的方陣，式中n等于自由度的數(shù)目，所以式（5）是關于的n次代數(shù)方程，由該方程解出的n個的值可按升序排列為第個特征值的算術平方根

6、稱為結構的第階固有頻率。對于每個自振頻率，由式（4）可確定一組各結點的振幅值它們互相之間應保持固定的比值，但絕對值可任意變化，它們構成一個向量，稱為特征向量，在工程上通常稱為結構振型。結構振型具有以為權和以為權的正交性，由式（4），對于第階振型和第階振型，分別有（6）（7）對式（6）兩邊各左乘，對式（7）兩邊各左乘，然后將兩式相減，得到當時，因此當（8）上述性質(zhì)稱為以為權的振型正交性。對式（7）兩邊乘，得到（9）上述性質(zhì)稱為以為權的振型正交性。對于大型結構的自振頻率和振型，目前多采用子空間法求解。2.3擬靜力法結構抗震分析通常采用擬靜力法和動力法6，所謂擬靜力法是指將重力作用、色合計地震加速度與重力加速度比值、給定的動態(tài)分布系數(shù)三者乘積作為設計地震力的靜力分析方法。當采用擬靜力法計算地震作用時，水平向地震慣性力可