潘口水電站廠房下部結(jié)構(gòu)三維有限元靜動力分析研究

1、潘口水電站廠房下部結(jié)構(gòu)三維有限元靜動力分析研究論文摘要：局部已建水電站的運行實踐說明：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平安穩(wěn)定運行，縮短檢修周期和使用壽命，嚴(yán)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(shè)計和建設(shè)過程中進行相應(yīng)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(jié)構(gòu)為研究對象，利用三維有限元分析了廠房結(jié)構(gòu)自振特性和在地震荷載作用下結(jié)構(gòu)的動力特點，對廠房整體結(jié)構(gòu)共振進行校核和評估，提高電站平安運行和管理。論文關(guān)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)，地處堵

2、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(wù)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(yīng)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(guān)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平安穩(wěn)定及電站與電網(wǎng)平安運行,合理模擬結(jié)構(gòu)的抗震數(shù)

3、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(jié)構(gòu)視為剛性體或均勻各向同性的彈性體,忽略結(jié)構(gòu)材料的不均勻性和類別，與實際存在很大差異。鑒此,本文做如下改良:采用非線性三維有限元分析混凝土結(jié)構(gòu),對流道系統(tǒng)等金屬結(jié)構(gòu)采用滿足Mises屈服準(zhǔn)那么的等向彈塑性模型;采用ANSYS軟件建立電站廠房三維有限元模型，利用標(biāo)準(zhǔn)要求的擬靜力法來研究電站動力特性，為廠房平安運行和管理提供依據(jù)。2.結(jié)構(gòu)動力分析原理2.1結(jié)構(gòu)動力平衡方程結(jié)構(gòu)動力分析的有限元法同結(jié)構(gòu)靜力分析一樣，要把結(jié)構(gòu)離散為有限個單元。不過在考慮單元特性時，結(jié)構(gòu)所受到的荷載還需考慮單元的慣性力和阻尼力等因

4、素。采用有限元法分析結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)時，根據(jù)最小勢能原理可以導(dǎo)出整個結(jié)構(gòu)的動力平衡方程:1式中，分別為結(jié)構(gòu)的結(jié)點位移、結(jié)點速度和結(jié)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(jié)構(gòu)的集中質(zhì)量矩陣，可由以下單元剛度矩陣，阻尼矩陣，質(zhì)量矩陣集合而成。式中，為應(yīng)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)根本方程1，可以求解結(jié)構(gòu)自振特性和地震響應(yīng)等問題。2.2結(jié)構(gòu)自振特性和振型結(jié)構(gòu)的自振特性頻率和振型是結(jié)構(gòu)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，阻尼對結(jié)構(gòu)的自振特性影響極小，所

5、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(jié)構(gòu)的無阻尼自由振動方程:2設(shè)在自由振動時，各質(zhì)點作簡諧振動，各結(jié)點的位移可以表示為3式中，為結(jié)點振幅列陣即振型，為與該振型對應(yīng)的頻率。將式3代入式2，可得廣義特征方程4結(jié)構(gòu)在自由振動時，各結(jié)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(jié)構(gòu)自振頻率的方程5式5稱為特征方程。因為結(jié)構(gòu)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(guān)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(shù)平方根稱為結(jié)構(gòu)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(jié)點的振幅值它們

6、互相之間應(yīng)保持固定的比值，但絕對值可任意變化，它們構(gòu)成一個向量，稱為特征向量，在工程上通常稱為結(jié)構(gòu)振型。結(jié)構(gòu)振型具有以為權(quán)和以為權(quán)的正交性，由式4，對于第階振型和第階振型，分別有67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(dāng)時，因此當(dāng)8上述性質(zhì)稱為以為權(quán)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(quán)的振型正交性。對于大型結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(shè)計地震力的靜力分析方法。當(dāng)采用擬靜力法計算地震作用時，水平

7、向地震慣性力可以按下式計算：.10式中：F為作用在質(zhì)點i的水平向地震慣性力；為水平向設(shè)計加速度，為質(zhì)點i的動態(tài)分布系數(shù)即水平地震加速度分布系數(shù)，可以按照圖1計算；G為集中在質(zhì)點的重力；g為重力加速度。圖1水平加速度分布系數(shù)由于地址時建筑物的絕對地震加速度是由地面加速度和建筑物相對加速度組成，水工建筑物的動態(tài)分布系數(shù)組合方式按下式計算：(11)振型參與系數(shù)反映j振型在整個振動中參與的分量，每一振型均為一常數(shù)，可根據(jù)振型而求得，公式如下:(12)式中：W為質(zhì)點i的重量。3.計算荷載、工況組合及計算參數(shù)3.1計算荷載與工況組合1自重；2水壓力；(3)樓面活荷載，發(fā)電機層樓面均布活荷載為40kN/m，

8、水輪機層樓面均布活荷載為20kN/m；主廠房屋面均布活荷載為0.4kN/m；(3)水錘壓力蝸殼最大內(nèi)水壓力為136m水柱(包括水擊壓力)；尾水管的吸出高度為4.5m水柱；(4)地震潘口壩址的地震根本烈度為7度，50年超越概率為0.05，相應(yīng)的設(shè)計加速度為0.134g。動力分析方法根據(jù)?水電站廠房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?(SL266-2001)規(guī)定：一般情況下，水電站廠房建筑可只考慮水平向地震作用，除1級壅水廠房應(yīng)按照動力法進行抗震計算外，其余廠房可采用擬靜力法計算；(5)機電設(shè)備載荷按照設(shè)計型號取定，具體數(shù)值略。施加荷載時，考慮各種荷載組合時，作用按照?水工建筑物荷載設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?DL5077-1997和?水電

9、站廠房設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)?SL226-2001規(guī)定選取。其分項系數(shù)取值見表1。表1作用分項系數(shù)取值表 作用 結(jié)構(gòu)自重 靜水壓力 樓面活荷載 機電設(shè)備動力荷載 永久機電設(shè)備重 地震荷載 分項系數(shù)取值 1.05 1.0 1.2 1.2 1.05 1.0 3.2計算內(nèi)容與工況結(jié)構(gòu)自重+內(nèi)水壓力(靜水壓力)+上部各種荷載的根本組合地震荷載。(1)廠房整體結(jié)構(gòu)自振特性研究。水電站廠房整體結(jié)構(gòu)是承受機組動荷載的主體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系本身較為復(fù)雜，設(shè)備開孔眾多，因此要求結(jié)構(gòu)體系具有足夠的整體剛度來承受機組振動荷載。為此采用三維有限元方法，對廠房水上結(jié)構(gòu)和水下大體積混凝土結(jié)構(gòu)進行整體剛度分析，計算廠房結(jié)構(gòu)的各階頻率和振型，

10、對廠房結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。(2)廠房整體結(jié)構(gòu)動力反響(振幅)分析。3.3計算參數(shù)1廠房結(jié)構(gòu)混凝土材料參數(shù)。見表2。表2廠房結(jié)構(gòu)混凝土材料參數(shù) 序 號 項 目 上部結(jié)構(gòu) 下部結(jié)構(gòu) 備 注 1 混凝土強度等級 C25 C20 2 靜彈性模量E(MPa) 2.80 x10 2.55x10 3 動彈性模量E(MPa) 3.64x10 3.315x10 4 泊桑比m 0.167 0.167 5 容重g( (kN/m ) 25 25 2廠房鋼蝸殼及座環(huán)材料參數(shù)。見表3。表3廠房鋼蝸殼及座環(huán)材料參數(shù) 序 號 項 目 鋼蝸殼 座 環(huán) 備 注 1 鋼材型號 16MnR Q235B 2 靜彈性模量E(MPa) 2.06

11、x10 2.06x10 3 動彈性模量E(N/mm ) 2.68x10 2.68x10 4 泊桑比m 0.3 0.3 5 剪切模量(N/mm ) 79x10 3地基材料參數(shù)地基彈性模量取20Gpa，泊松比取0.24.三維有限元模型的建立1總體直角坐標(biāo)系以順河向為X軸，向下游為正；高度方向為Z軸，豎直向上為正，由右手坐標(biāo)系確定Y軸正向指向左岸。2計算模型的取值范圍基巖沿上游方向延伸了0.5倍廠房下部結(jié)構(gòu)高，即20.00m，沿下游方向延伸了1倍廠房底寬，即26m，豎直方向由建基面向壩基深處也延伸了1倍廠房下部結(jié)構(gòu)高，即40.00m。由于廠房結(jié)構(gòu)復(fù)雜，很難保證所有局部用六面體劃分網(wǎng)格，故采用SOLI

12、D45、SOLID95、SOLID92三種實體單元混合模擬。模型中計算單元數(shù)為142483個，節(jié)點數(shù)190004個?；鶐r均采用SOLID45單元，網(wǎng)格劃分過程中盡可能采用六面體，但由于布爾運算造成的不能劃分成六面體的局部用SOLID92單元劃分成四面體，四面體和六面體過渡局部用SOLID95退化形成的金字塔單元過度。圖2整體模型三維有限元網(wǎng)格圖5.計算結(jié)果5.1廠房整體結(jié)構(gòu)自振特性研究為了準(zhǔn)確模擬廠房整體結(jié)構(gòu)自振特性，將廠房上部結(jié)構(gòu)質(zhì)量平均轉(zhuǎn)化作用在排架柱與發(fā)電機層樓板接觸面，因電站多數(shù)情況下過水，考慮蝸殼與尾水管有水工況許多研究說明，過水與放空兩種工況計算的自振頻率相差不大。計算結(jié)果列出了前

13、4階廠房自振結(jié)果：圖3潘口電站廠房整體一階自振頻率與振圖4潘口電站廠房整體二階自振頻率與振型5.999Hz型8.09Hz圖5潘口電站廠房整體三階自振頻率與振圖6潘口電站廠房整體四階自振頻率與振型11.37Hz型12.326Hz5.2廠房整體結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的動力反響振幅計算圖7地震工況潘口電站廠房整體沿X方向位移圖8地震工況潘口電站廠房整體沿Y方向位移圖8地震工況潘口電站廠房整體沿Z方向位移6.結(jié)論1可以看出，潘口電站結(jié)構(gòu)基頻為5.999Hz，發(fā)電機層樓板基頻為11.37Hz，風(fēng)罩與機墩基頻為12.326Hz，根據(jù)設(shè)計院提供的根本資料，機組固有振動頻率為：額定轉(zhuǎn)速時1.28Hz，飛逸轉(zhuǎn)速時3.83Hz。因此，無論是與機組額定轉(zhuǎn)速時的固有頻率相比，還是與機組飛逸轉(zhuǎn)速是的固有頻率相比，均滿足結(jié)構(gòu)自振頻率錯開機組固有頻率1.2-1.3倍的要求。所以，以機組固有頻率為周期的激振不引起廠房結(jié)構(gòu)的共振。對發(fā)電機層樓板和風(fēng)罩等薄弱部位，其共振基頻或某些高頻，也可能與某些激振主頻發(fā)生共振，更易引起振動破壞，影響機組正常運行，為此，在廠房的抗振設(shè)計中，對此應(yīng)予