（水利水电工程专业论文）水电站厂房楼板振动的分析.pdf

独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得沈阳农业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过 的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并 表示了谢意。 研究生签名：奎灸 导师签名： 时间：工。qf年z 月吝日 时间：年月日 关于论文知识产权和使用授权的说明 本论文的知识产权为沈阳农业大学所有。本人完全了解沈阳农业大学有关保留、使 用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借 阅，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同意沈阳农业大学可 以用不同方式在不同媒体上发表、传播学位论文的内容。 学位论文中的所有内容不经沈阳农业大学授权不得以任何方式擅自对外发表。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 李 导师签名： 时间：2 ，。o 年6 月雪日 时间：沙叼。年6 月厂日 火火 溶 磋 龙 沈阳农业大学硕十学位论文 摘要 我国五、六十年代投入运行的一些机组，因提前发电、系统负荷少等因素，出现过 长期低负荷运行，致使水轮机运行稳定性较差，由于机组小，问题尚不突出，近3 0 年 来随着系统的扩大和缺电，单机容量、机组尺寸不断增大，机组及厂房结构的刚度相对 降低，水轮机在高水头运行区普遍出现了水力不稳定现象，并不同程度地引起厂房楼板 的强烈振动，但若振动超出一定范围，就会直接影响到机组的安全稳定运行，缩短其检 修周期和使用年限，严重时还会引起引水道和整个厂房的振动，以至被迫停机。 本文结合岩滩和红石水电站厂房楼板振动的现象，研究厂房楼板振动体的动力特 性，对发电机楼板的自振特性做了较精确的计算，同时将机组水力激振作用下的厂房楼 板振动简化为简谐振动系统，提出一种水电站厂房楼板结构简谐振动模型，并进行了发 电机层楼板结构的精确模态分析和动力响应分析。 本文提出的水电站厂房楼板模态分析、动力响应分析以及振动控制指标，构成了一 个较完整的水电站厂房楼板振动的研究方法。 另外，本文也对红石和岩滩水电站厂房楼板抗振设计、减振构造措施和加固方案进 行了分析。 目前关于水电站厂房楼板的振动控制标准，国内外均无明确的规定。本文根据振动 对建筑物、机械、仪器设备和人体的影响及评价标准，探讨了当前我国水电站厂房楼板 的振动控制标准建议值。并对水电站厂房楼板振动的有限元分析进行了归纳和总结，提 出了创新点和研究展望。 关键词：水电站厂房，楼板，振动，模态分析，动力响应分析，减振措施，评价标准 英文摘要 a b s t r a c t s o m e 缸v e s t h l e n tu n i t so fo u rc o u m r yi n5 0 6 秽s ，b e c a u s eo fg e n e r a t i n ge l e c t r i c i t y a h e a do ft h e ，t 1 1 ef c ws h o u l d e r i n gs y s t e m ，“h a s 印p e a r c d 也el o n g t e n nl o w1 0 a dm o v e m e n t ， c a u s e st h eh y d r a u i i ct l l r b i n em o v eb a d l y ，a st h eu i l i ti ss m a l l ，t h eq u e s t i o n 、v a sn o ts t i l l p r o m i n e n t i n 血e 珲c e n t3 0y e a r s ，w i mt h e1 a c ke l e c t r i c i t ya n d t 1 1 es y s t e me x p a n s i o n ，m es i 1 9 i e l l f l i tc a p a c i t ya 1 1 ds i z ei n c r e a s eu n c e a s i n g l y t h e 删武a l l dt 1 1 e w o r k s h o ps 虹u c t u r cr i g i d i t y r c d u c e sr e l a t i v e l y t h eh y d r a u l i ct l l r b i n e 印p e a r e dm ew a t e r - p o w e ru n s t a b i l i z a t i o ng e n e m l l y 缸m eh i g h w a t e ro p e m t i n gr a n g ea n di tc a u s e sm ew o r k s h o pf l o o r 访t e n s ev i b r a t i o ni nt h e v a r y i n gd e g r e e b u ti fv i b r a t e ss l l l p a s s e sc e r t a i ns c o p e ，i tc a na 行b c td i r e c 廿yu i r ss e c 嘶t y s 协b l em o v e m e n t ，r e d u c e si t sa v e r h a u lp e r i o da n dm es e r v i c el i f ea 1 1 dc a u s et l l ed e r i v a t i o n 锄dm ee n t i r ew o r k s h o pv i b r a t i o ns e r i o u s l y ，c o m p e l it h ee n g i n eo f r e v e n t h i st e x tc o m b i n e st h ee x p e r i m e t a ls t u d yo nf a c t o r yv i b r a t i o no f m t a na n 硼o n g s h i ， r e s e a r c hf 犯t o r ) r 蛐n l c t u r cv i b r a t i o ni d e n t j t y ，m a d em o r cp r c c i s ec a l c u l a t i o no fv i b r a t i o n i d e n t i 吼w h i i eg e n e r a d n gh y d r a u l i cm i eo f m ep l a n tv j b r a t i o ns i m p i i f i e dh a n n o n o u sv i b r a t i o n s y s t e m ，p r o p o s e l es i m p l ev i b r a t i o nh 跏n o n o u sm o d e lo nu n i k r p a r ts t m c t u r eo f p o w e rs t a t i o n f a c t o 叮b u i l d i n g ，c a n 了o na c c u r a t em o d aa 1 1 a l y s i so fg e i l e m t ( rl a y e r sa n dr e s p o n da n a l y s eo f w a t e rc o n s e r v a n c ys h a i 【i n gi o a d s t h e r ea r em o d a la n a l y s i so np o 、e rs 伽o nf h c t o r y ，m o t i v ef o r c er e s p o n da m l y s i sa i l d v i b m 廿o nc o n t r o li n d e xi nt l l i st e x t ，f o m e dam o r ei m a c tv i b r a t i o nr e s e a r c h 印p r o a c ho f p o w e rs t a t i o nf a c t o r yb u i i d i n g i na d d i t i o n ，廿l ev i b r a t i o n 劬c t i o na n ds 仃e n 昏h e n i n gp r o g r 锄m eo nt l l e h o n g s h ia r l d y a n _ t a l lh y d r o e l e c 仃i cg e n e m t i n gs t a t i o nn o o rh a sb e e nm a d e 也ea i l a l y s i sf o r e c a s t a tp r e s e n t ，i tc a nn o tb ee x p l i c i ys t i p u i a t e da b o u th y d r o e i e c t r i cp o w e rs t a t i o nw o r k s h o p n o o rv i b m t i o nc o n 由r 0 1s t a n d a i nt h ed o m e s t i ca n df o r e i g n a c c o r d i n gt 0t l l ec v a l u a t i o n c r i t e r i o na i l dm a t e r i a l s ，i t h a v ep m b e di i l t ot h ei m p a c ta 1 1 de v a l u a t i o nc r i t e r i o no nb u i l d i n g ， t h em a c h i n e r y ，i n s m l m e n ta n de q l l i p m e n ta 1 1 dh u i l l a nb o d yc a u s e db yt h ef l o o rv i b r a t i o no f o f p o w e rs t a t i o nf a c t o r yb u i l d i n g a n di ta d d sw a t e r 廿1 ef i 埘t ee l e m e ma n a l y s i s ，c a r r y so nt h e i n d u c t i o na j l dt h es u m m a r ya n dp r o p o s e s 也ei 衄o v a t i o na n dt l l ep m s p e c t k e yw o r d s ：t h ep o w e rs t a t i o f a c t o r yb u m i n g ，t h en o o bv i b r a t i o n ，m o d a l 姆a n a l y s i s ， m o t i v ef o r c e 忡s p o n d i ga n a l y s i s ，t h er e d u c es h a k i n gm e a s u m ，e v a l u a t i o n c r i t e r i o n 2 沈阳农业人学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 水电站厂房在国内的发展和展望 水利资源是人类社会宝贵的财富，多年来对于水利资源的开发利用，已经成为世界 各国人民所关注的大事，开发水利资源兴建水力发电站又是人类近代史上能源建设的重 大课题。特别是开发中小河流的水力资源，建设分散的水电站，在特定的条件下意义十 分重大。目前被公认为是一种发展能源的具有巨大潜力和较好的方法。 巾国水力甲天下，水力资源的蕴藏量是极为丰富的，全国水能理论蕴藏量为6 7 亿k w ，其中可以开发的为3 _ 8 亿k w ，现己开发利1 l | 的仅占4 3 。除长江、黄河、珠 江、雅鲁藏布江、淮河、松、辽河、黑龙江等大型江河外，中小河道几予遍布全国，特 别是长汀以南诸省、小水电资源十分丰富，据普查，全国小水电资源理论蕴藏量为1 5 亿k w ，其中可开发的为07 亿k w 。如何开发利用这些丰富的水力资源，对我国国民绎 济的持续发展有十分重要的意义( 李吉川，2 0 0 1 ) 。 水电站厂房是水利枢纽的主要建筑物之一，是将水能转换为机械能进而转换成电能 的最终场所。它必须能使水轮发电机组及其辅助设备、电气装置等安装在合理的位置； 为这些设备提供检修、安装的场地，也为运行管理人员创造良好的t 作环境。随着我国 水电站建设的快速发展，水电站厂房的设计和施工也获得了明显的进步和提高。 1 1 1 已建和在建的大中型水电站厂房 据初步统讣，已建和在建的大中型水电站厂房有2 2 0 余座，其中2 5 0 m w 以上的大 型水电站厂房有5 7 座( 常规水电站5 2 座，抽水蓄能电站5 座) ；1 0 0 0 m w 以】的大型 水电站厂房有2 0 座( 常规水电站厂房1 8 座，抽水蓄能电站厂房2 座) 。 1 1 2 水电站厂房的类型 水电站j 房根据不同的地形、地质条件、开发方式以及枢纽总体布置，其掣式多种 多样。按其结构特征可分为三种基本类型，即圳后式、河床式和引水式( 李传才，2 0 0 1 ) 。 每一基本类型又可发展出若t 其它形式。 1 1 2 1 坝后式厂房 j 房位于大坝之后，在结构上与坝体分开，不承受卜游水库的水压力。由穿过坝体 的压力管道向厂房内的水轮机组供水。 在坝后式厂房的基础上，将厂坝关系适当调整，并将厂房结构局部加以变化后，可 以形成以下几种形式： ( 1 ) 挑越式j 房。j 房紧靠大坝f 游坝址处，坝顶溢流时，水舌挑越厂房项泄入 下游河道：如贵州乌江渡水电站厂房。 ( 2 ) 溢流式厂房。厂房布置在大坝下游坝址处，水流通过厂房顶下泄。如浙江新 安江水电站厂房。 ( 3 ) 坝内式厂房。主厂房布置在坝体空腔内而形成。如湖南风滩水电站厂房。 ( 3 ) 坝内式厂房。主厂房布置在坝体空腔内而形成。如湖南风滩水电站厂房。 第一章绪论 1 1 2 2 河床式厂房 厂房位于河床中，直接与进水口相连，本身也起挡水作用，承受上游水库的水压力。 根据泄流方式不同可分为如下三种： ( 1 ) 普通河床式厂房。厂房不带泄流孑l ，厂房也不溢流。如广西西津水电站厂房。 ( 2 ) 混合式厂房。又称泄水河床式厂房。在其机组段内布置有泄水道。泄水道可 布置在蜗壳与尾水管之间，蜗壳顶板上，发电机层上部或主厂房顶部等位置。如湖北葛 洲坝大江、二江电站厂房。 ( 3 ) 闸墩式厂房。机组段与泄水闸间隔布置，机组段兼起闸墩的作用。如宁夏青 铜峡水电站厂房。 1 1 2 3 引水式厂房 厂房与坝不直接相连，发电用水由引水建筑物引入厂房。当厂房设在河岸处地面时， 又称为引水式地面厂房。如浙江湖南镇水电站厂房。 此外，厂房按安装的水轮发电机组适用水头的大小又可以分为低水头厂房、中水头 厂房、高水头厂房；按结构形式和布置不同又可分为地面厂房、地下厂房、露天厂房和 半露天厂房等。 1 1 3 水电站厂房的组成 厂房枢纽的建筑物一般可分为如下四个部分( 李传才，2 0 0 1 ) 。 1 1 3 1 主厂房 是指由主厂房构架及其下部的厂房块体结构所形成的建筑物，是安装水轮发电机组 及主要控制设备和辅助设备的场所。由于机组有一定高度，故主厂房一般为2 层建筑 物。主厂房的布置因电站具体情况而异，一般分为安装问层、发电机层、水轮机层及蝴 蝶阀室层。习惯上把发电机层以上部分称为上部结构，包括屋面系统( 屋面梁系或屋架 等) 、吊车梁、柱、各层楼面梁系、围护结构等。水电站厂房上部结构承重构架多为由 楼( 屋) 面梁系和柱子组成的框架( 刚架) 结构，发电机层以下统称下部结构，而水轮 机层以下则称下部块体结构。下部结构包括机墩、风罩、蜗壳外围混凝土、防水墙、尾 水闸墩及平台、基础板等构件。 1 1 3 2 副厂房 是保证主厂房正常发电的辅助场所，其内部主要布置水力机械和电气设备，如油、 水、气系统等有关设备。有的电站将行政办公用房等也设在副厂房内。 主厂房及相邻的副厂房习惯上也简称为厂房。图l 一1 为一般坝后式或引水式地面厂 房的结构组成示意图。 1 1 3 3 变压器场 用来放置主升压变压器的场所，一般设在主厂房旁。发电机输出的电流经主升压变 压器升压至输电线电压。 4 沈阳农业人学硕士学位论文 1 1 3 4 高压开关站 安装高压母线及开关等配电装置，向电网或用户送电的场所。高压开关站常为开阔 场所。若升压变压器也放在开关站内，则称为升压站。 图卜1 水电站厂房结构组成示意图 f 培| 一1t h e3 k e c h 可t h es t n l c t m 陀p o w e rs 掘l l o n 向c t o 璎 卜屋面系统；2 吊车梁；3 一柱；4 维护结构；5 一风罩：6 一机墩： 7 一蜗壳；8 尾水管；9 挡水墙；l o 尾水闸墩：1 l 一底板；1 2 一副厂房 1 1 4 水电站厂房的发展 我国水力资源居世界第一，但是目前水电开发程度较低。根据国家“十五”计划和 2 0 1 5 年远景规划，水电开发的目标为：到2 0 1 5 年水电装机达到1 5 0 0 0 0 m w ，占电力总装 机2 8 ，水能资源开发程度将达到4 0 。在今后一个时期，水电开发的基本思路是：重 点开发调节性能好的大型水电站，在加强电网调峰规划的基础上，选择优良站址，建设 抽水蓄能电站。因此加大水电开发的力度，加快水电建设的速度，势在必行。到2 0 1 5 年，中国将成为世界水电第一强国。由于地下厂房布置灵活，适应于各种坝型，特别是 高拱坝、高土石坝采用地下式厂房更具有优越性。同时地下厂房施工不受气候影响，与 大坝施工干扰少，随着开挖技术和监测手段的提高，愈来愈多的大中型水电站，将会选 择地下厂房的型式( 陆宗磐，2 0 0 0 ) 。 1 2 水电站厂房的振动现状 水电站的水轮发电机组在运行过程中不可避免地要产生振动，也允许有轻微的振 动，但若振动超出一定范围，就会直接影响到机组的安全稳定运行，缩短其检修周期和 第一蕈绪论 使用年限，严重时还会引起引水道和整个厂房的振动，以至被迫停机。引起机组振动主 要有水力、机械和电气等三方面的原因，其中，水力振动现象在混流式水轮机中较为明 显，这是由于混流式水轮机过流部件单一，对偏离最优工况的水头和流量变化的适应范 围相对较窄所致。 我国五、六十年代投入运行的一些机组，因提前发电和系统负荷少等因素出现过长 期低负荷运行，致使水轮机运行稳定性较差。近3 0 年来随着电力系统的扩大和缺电， 单机容量、机组尺寸不断增大，机组及厂房结构的刚度相对降低，水轮机在高水头运行 区普遍出现了水力不稳定现象，并不同程度地引起厂房甚至大坝的强烈振动。我国的刘 家峡、岩滩、东江、丹江口、牛路岭、红石等电站的水工建筑物共振问题较为突出( 王 泉龙，2 0 0 1 ) ，其中又以岩滩和红石机组在高负荷时厂房楼板的剧烈振动最为罕见。 广西岩滩水电站混流式水轮机的转轮直径为8 m ，单机容量3 0 2 5 m w 。1 9 9 2 年1 号 机组投运时，+ 由于溢流坝闸门不具备挡水条件，初期运行水头在5 0 m 左右，运行中感觉 不到机组有振动，尾水管进人门处产生噪音也较小。当水库水位蓄至设计正常蓄水位时， 2 号机组在小负荷( 1 0 0 m w 左右) 投入运行时，机组尾水管出现强烈的低频脉动。当 运行水头大于6 0 m 、导叶开度为o 7 左右、机组接近最高出力时，机组和厂房均出现强 烈振动，人员在发电机层楼板上难以站稳，并曾导致机旁盘误操作( 唐培甲，2 0 0 0 ；三 峡总公司技术委员会，1 9 9 7 ) 。特别是在高程1 7 4 m 的发电机层及副厂房振动更为强烈， 产生振动时，就连高程1 7 4 m 的中央控制室内都有明显的感觉。因此为了避开振动，机 组在高水头段只得被迫降负荷运行，使电厂不仅损失电量，而且调峰能力也大大减弱( 汪 丽川，1 9 9 6 ) 。 湖南五强溪水电站混流式水轮机的转轮直径为8 3 m ，是目前国内最大的混流式转 轮，单机容量2 4 0 m i v 。该电站5 台机组都存在振动范围大、幅值大的问题( 袁蕊，2 0 0 0 ) 。 1 、2 、4 号机都曾因机组振动过大而发牛机械过速、保护装置误动，导致紧急停机事件。 1 、5 号机曾因水导的摆度过大造成齿盘测速探头损坏。剧烈的振动危及机组的安全稳定 运行，振动产生的噪音也给运行人员的工作环境造成不利影响。强振发生在低负荷工况， 此时尾水管内大量存在0 1 2 5o 6 2 5 h z 低频振动分量，其中，个别振动频率与厂房建筑 物的自然频率非常接近，导致厂房共振。 我国已投产的另外一些大型机组电站如二滩、小浪底、隔河岩、天牛桥一级等，自 运行以来均不同程度地出现影响安全正常运行的振动区域( 何捍东，2 0 0 1 ) 。国外几座 巨型混流式机组也同样存在类似问题，如美国的大古力i i i ( 转轮直径9 9 m 、单机容量 7 0 0 m w ) 、委内瑞拉的古里i i ( 7 2 m 、6 1 0 7 3 0 m w ) 、巴西与巴拉圭合建的伊泰普( 8 6 m ， 7 1 5 7 4 0 m w ) 、巴基斯坦塔贝拉水电站( 7 9 m 、4 4 0 m w ) 等( 三峡总公司技术委员会，1 9 9 7 ； 赵纯厚等，2 0 0 0 ；谷兆祺等，1 9 9 6 ) 。表卜1 列出目前我国已建成的装机容量1 0 0 0 m w 以 上的大型常规水电站厂房( 不含抽水蓄能电站) 一些基本数据，在这1 8 座百万千瓦级 的水电站中，除葛洲坝、水口两座低水头电站采用轴流式水轮机外，其余全部采用的是 6 沈阳农业大学硕士学位论文 混流式水轮机。 表1 - l 已建和在建装机容量1 0 0 0 删以上的水电站厂房 ：j i ! ：12 ：f g 窖：! i ：! ! ：警卫：竺22 f 鲨= = ：磐! ：i ：= ：2 兰：丝! 量j 0 錾1 21 1 1 丝z 电站名称建设地点所在河流装机容量年发电量厂房 首台机组 胂亿k w h 型式发电年份 1 3 厂房振动研究现状与课题研究目的和意义 1 。3 。1 国内外研究现状 由于水电站厂房结构复杂，其结构形式、构造受枢纽布置等因素影响。所以，迄今有 关水电站厂房抗振研究的文献、著作很少，尤其在动力分析方面研究进展更缓慢，仅天 津大学和大连理工大学对水电站厂房的动力分析研究的稍多一点，其它水利学院及科研 机构对此仅做了少量的研究工作，发表论文亦不多。论文问也存在一些分歧，如水轮机 压力脉动区的水力振动问题，其发生机理和振动特性，包括其相位和分布特征，以及对 厂房结构振动的作用和传递规律等。国外对水电站厂房的振动问题上已做了较多工作， 但也集中在对厂房上部结构的动力分析方面的研究，对水电站的下部结构动力分析的特 性研究也很少( r w 克拉夫等，1 9 8 5 ) 。 1 3 1 1 国内研究的现状 1 9 8 7 年李彦硕研究了刘家峡水电站楼板采用整体模型实验( 能考虑上、下楼板与支 承结构有一定的耦合作用) 和局部楼板结构( 不考虑支承结构的耦合作用) 有限元电算 相结合的方法( 李彦硕，1 9 8 9 ) 。他根据工程使用允许的误差范围，合理地选择自由度 数。对板的横向振动问题来说，三角形板单元，每个节点三个自由度，用静凝法消去全 部转角的自由度，再令支座结点垂直变位为零。最后只剩下板内各结点垂直变位的自由 第一章绪论 度，令板的质量分别集中在这些自由度上。2 0 0 3 年大连理工大学马震岳在三峡水电站水 轮机模型试验中，发现存在一个特殊压力脉动区，压力脉动幅值超过标书的规定，可能 会对厂房振动产生不利影响，为此进行了主厂房整体的振动分析数值模拟，研究了主厂 房的固有振动特性并进行共振复核；并研究了机墩结构在各种动力荷载作用下的振幅和 应力，利用动力法计算厂房在水力激励作用下的振动反应，根据国内外有关振动规程， 对振动加以评价，为厂房动力设计和运行控制提供了科学依据( 马震岳，2 0 0 4 ) 。2 0 0 2 年广州市房屋鉴定事务所沈可对岩滩水电站厂房的两种动力模型作了模拟分析比较，计 算采用a n s y s 软件，模型建立及单元划分在其前处理程序完成，避免了在单元节点的 自由度协调上花费大量精力；同时为考核单元网格划分是否合格，进行了网格进一步细 化后计算结果的比较检查( 沈可，2 0 0 3 ) 。1 9 9 5 年戴湘和对长江三峡水电站厂房及水下 结构进行了结构动力计算分析研究，得出了结构动态特性及动力响应与位移( 戴湘和， 1 9 9 5 ) 。1 9 9 6 年天津大学李大成、熊有志采用s p a 5 程序，提出了三维动力有限元法和 混合型动态子结构法，对三峡水电站厂房水下结构进行了三维的整体动力分析( 熊有志， 1 9 9 3 ) 。2 0 0 2 年赖维刚应用了p ，m 系列软件对水电站厂房上部结构空间进行了分析和 计算，并应用s a t w e 程序进行复核，认为应用该软件缩短了计算和设计周期( 赖维刚 和郑立群，2 0 0 2 ) 。 1 3 1 2 国外研究现状 早在1 9 9 4 年( 美) m a r g a r e tc b i g g s 对大古力水电站厂房振动特性进行了研究，并 在研究的基础上建立了较精确的水电站厂房楼板结构模态分析和在机组水力激振作用 下动力响应分析的有限元计算模型。利用该模型对水电站厂房振动进行了数值分析，其 计算成果与实例数据非常吻合，并对厂房振动进行了分析预测( 0 h a s h ih ，1 9 9 1 ) 。2 0 0 2 年( 美) r w c l o u g hj p e l l z i e n 对古里水电站厂房进行并建立了一种混流机组水力振动下 水电站厂房的有限元动力计算模型，进行了发电机层楼板结构的模态分析和简谐动力响 应分析。厂房结构计算结果与实例数据非常吻合，在此基础上对水电站厂房楼板的振动 进行了分析预测( m a b e n d r a p ，1 9 7 5 ) 。2 0 0 2 年b 甜l c k j 利用反应谱理论对水电站厂房 结构进行了抗震计算分析比较，得出了其自振特性及地震位移、动应力响应。对楼板的 抗应力强度进行了安全性评价( b a t h c ，k j ，2 0 0 2 ) 。2 0 0 2 年o h a s l l ih 研究了机组振动 对厂房的作用机理和效应，评价振动强度及其影响，进而研究消振减振措施或改进结构 设计途径( o h a s mh ，2 0 0 2 ) 。因此，试图通过理论和数值方法，分析和预测机组诱发 的厂房振动，为设计和运行提供了理论依据。 1 3 2 厂房结构振动研究现状 水电站厂房运行中的振动问题主要有两种情况：一是厂房结构及水轮机发电机支承 结构与机组强迫振动发生共振；二是厂项溢流厂房水流脉动压力诱发厂房结构的随机振 动。 对于直接承受机组动荷载的支承结构的机墩的动力分析，由于构件单一、受力明显， 沈阳农业大学硕士学位论文 水电站厂房设计规范( s l 2 6 6 - _ 2 0 0 1 ) 给出了基于单自由度振动体系推导出的自振频 率及振幅计算公式，国内多数电站都是按这套方法设计的，运行中也未发生共振和其他 问题( 水电站厂房设计规范，2 0 0 1 ) 。对大型机组和重要工程则宜用有限元法进行结构 动力分析( 董毓新和李彦硕，1 9 9 5 ；马震岳等，2 0 0 0 ；z h a od e h a i ：2 0 0 0 ) 。 对于厂房顶溢流的振动问题，己建成的厂坝溢流式厂房( 如新安江、池潭、修文水 电站) 以及厂前挑流式厂房( 如乌江渡、漫湾等水电站) 的原型观测表明，动水压力诱 发厂房振动是微弱的，对厂房结构的运行与安全不会产生很大影响( 彭新民和崔广涛， 2 0 0 l ；中国水利水电工程编委会，2 0 0 0 ) 。 由于大型机组的振动而引发的水电站厂房结构共振问题，目前研究尚不深入。一般 采用共振校核法进行厂房抗振设计，其方法简单，但校核标准难以掌握( 陆宗磐，2 0 0 0 ) 。 当前，日益突出的大型机组厂房的水力共振，不仅可造成厂房结构在长期动荷载作用下 的疲劳失效，更重要的是超出了厂房结构的正常使用要求。如在水电站厂房的楼板上布 置有机组的监控操作设备，同时也是操作人员工作区，从机器基础设计和劳动卫生安全 两方面都对楼板的振幅和振动速度提出了具体限值。要进行减振控制，首先就必须对厂 房结构振动做定量分析。由于水电站厂房振动系统中的振动体( 即厂房结构) 和振源( 即 机组) 都非常复杂，该如何描述厂房结构的自振特性及机组水力振动的振源特性、以及 如何计算由后者所引发的厂房结构物的动力响应等，迄今为止，尚缺乏成熟有效的分析 手段。 水电站的振动问题，主要是针对研究水电站厂房结构，发电机层、水轮机层楼板结 构，坝上拦污栅空间钢架与平台组合结构，以及压力钢管结构等的振动。这些结构无论 是外形尺寸，还是从构件组成都比较复杂。国内外水电站多年运行的经验表明，在地震 波和正常运行中的有关外荷载干扰力的作用下，或者在脉动、冲击和爆炸荷载的作用下， 水电站的厂房结构会产生较大的动应力和强烈的振动，这对结构物的安全使用年限，以 及运行人员的身心健康都会产生很大的影响。为此，在测定、分析和研究地震引起的地 面运动以及运动中有关外荷载干扰力特性的同时，必须研究水电站厂房结构的自振特 性，才能有效地、经济合理地解决水电站的抗震和消振问题，并为厂房动力设计和运行 控制提供科学依据。 1 3 3 厂房结构的自振特性 现有的厂房振动研究都集中在对水电站厂房结构自振特性的研究( 李彦硕，1 9 8 9 ； 舒扬启和王日宣，1 9 8 7 ；熊有志和李大成，1 9 9 9 ；马震岳等，2 0 0 2 ；郭永刚和张祁汉， 2 0 0 2 ) ，即计算出厂房前几阶自振频率，再与机组的强振频率进行共振校核。但在分析 自振特性时，往往只注重频率，而忽视振型，即某阶自振频率下振动的形状及发生的部 位。由于厂房结构属多构件组合成的弹性结构体，各个部分构件的频率相差很大，总体 结构的某一阶频率其振型往往仅表现在单个构件的局部范围。分析表明，水电站厂房总 体一阶自振频率及其它低阶自振频率，均集中在厂房上部构架的水平和扭转振动，而发 第一章绪论 生强烈共振的条件应是动荷载频率与结构在动荷载作用方向上的自振频率一致，且动荷 载直接作用在结构上。此外，还缺乏对发电机楼板及其以下结构的自振特性分析。在以 往的计算中，通常将上部构架简化为梁杆体系，而将下部结构视为固结；有些虽考虑了 整体，即考虑了对楼板的嵌固作用，甚至动水压力的影响，但对下部结构的单元划分却 十分稀疏，计算结果也往往是只表达了上部结构的动力特性，而无法体现下部结构的动 力特性。由大型机组振动引发的厂房结构共振，强振部位主要集中在厂房下部结构，因 此，研究厂房结构振动，重点应放在厂房下部结构上。与上部梁杆体系用少数单元即可 得到较好的计算结果不同，要得到下部实体和板块体系较为准确的自振特性，必须进行 精确的单元划分。此外，在各构件单元自由度的协调方面，由于目前使用较多的罚单元 法( 马震岳等，2 0 0 2 ) 或约束方程法( 郭永刚和张祁汉，2 0 0 2 ) 存在大量消耗计算资源 的缺陷，故不适合在解决大型水电站振动问题中的应用。 1 3 4 厂房结构的动力响应分析 对于振源和振动体的频率分布均非常广泛的水电站厂房系统采用共振校核法就难 以操作。理论和实践均表明，复杂振动系统的最大动力响应，并非一定出现在结构的第 一阶自振频率上，而可能是在某一较高阶频率上，这与系统的质量分布和连接方式有关。 因此，必须采用动力响应分析方法计算结构在外部动荷载作用下的位移、应力和振动速 度等响应。 此外，如果将地震作用看成是一种特殊的动荷载，那么抗震问题也可以列入水电站 厂房振动的研究范畴。当主要考虑水平地震作用影响时，水电站厂房的地震作用与一般 工业厂房极为类似，完全可以借鉴工业厂房的抗震研究成果( 陈厚群，1 9 9 7 ；裘民川， 1 9 9 7 ) 。 1 3 5 本研究课题的目的和意义 目前对于大型机组振动引发的水电站厂房楼板共振问题，研究尚不深入细致，往往 采用共振校核法进行厂房楼板抗振设计，其方法简单，校核标准难以掌握。本论文针对 大型机组与厂房楼板的水力共振现象，结合岩滩和红石水电站厂房楼板振动的现象，提 出本研究课题。目的探讨水电站厂房楼板结构的精确模态分析、厂房楼板动力响应计算 及控制指标值等方面至今尚未深入研究的问题，力图建立一套较实用的水电站厂房楼板 振动计算和评仙方法。同时并根据其研究结果，探讨水电站厂房楼板抗振设计和治理措 施及楼板振动的控制标准。 沈阳农业大学硕十学位论文 第二章楼板动力分析基本理论 2 1 结构动力分析基本理论 2 1 1 有限元法 有限元法是一种求得近似解的数值分析方法( 阎盛海，1 9 9 9 ：陆鑫森，1 9 9 2 ) 。有 限元法问题的求解按照如下步骤进行： 结构的离散化： 位移模式的选择； 建立单元特征方程式；其中包括其一是合单元特征式；建立整体结构平衡方程；其 二是解有限元方程及近似节点位移、单元应力等其他附加计算。 从结构力学的观点出发，对于一个具有n 个自由度的结构振动问题，设任意时刻t ， 体系的状态有n 个位移量v ，( t ) ，( i = 1 ，2 ，n ) 来确定。这些位移向量构成体系位移向 量： v o ) ) = h o 卜：o ) k o ) ) 。n 个自由度体系做弹性振动的时候，弹性体系上受到四 种力的作用： 外力 以 ) ； 弹性恢复力：医协o ) ) ，k 为刚度阵，为对称阵； 惯性力： m 弦0 ) ) ，阻】为质量阵，采用集中质量阵时，只有对角线元素不为零， 质量阵对称。 阻尼力： c 如o ) ) ，【c 为阻尼阵 体系运动的时候，由以上四种力达到平衡，得到体系的振动方程： 阻弦( f ) ) + 医如0 ) ) + c g ) ) = m ) ) ( 2 1 ) 对于无阻尼自由振动体系，振动方程为： 瞰弦o ) ) + k 和o ) ) = o j ( 2 2 ) 设扣o ) ) = e 州如) ，代入式( 2 2 ) 中，得到体系特征方程： 卜2 阻船) = o ) ( 2 3 ) 协 的分量不为零，故有： d e t i 医卜2 阻】= o ( 2 4 ) 解出的n 个解，即为体系的n 阶自振频率。将印的n 个解回代至公式( 2 3 ) 中， 即可求出体系对应于n 个自振频率的n 阶振型侈) 。 2 1 2 振型叠加法 下面简单介绍一下振型叠加法( 李彦硕，1 9 8 9 ) 。 将结构离散成具有n 个自由度的体系： 写成体系运动方程，如式( 2 1 ) 所示。 第二章楼板动力分析基本理论 振型和频率分析 对于无阻尼自由振动，矩阵方程可归结为特征值问题，如式( 2 3 ) 所示，由此可 确定振型矩阵移) 和频率向量如) 。 广义质量及荷载 依次取每一个振型向量轨) ，计算每一个振型的广义质量和广义荷载， m 。= 娩r 阻慨) 只( f ) = 轨厂 雄) ) ( 2 5 ) 非藕合的运动方程 假设阻尼同质量阵、刚度阵一样满足正交条件，由每个振型的广义质量、广义力、 振型频率q 和给定的振型阻尼比f = 。m ，以及振型正交条件： ” 觇+ r 阻) = o 靓r 医 忱) = o n ) 并设扣o ) ) = 瞄桫0 ) ) ，式中，瞄】= 盼织九丸】， y o ) ) = 侈。( f b ：( f h o ) y 。o ) r ，m o ) 为第i 阶振型幅值，眵 为振型向量矩阵，可将 式( 2 1 ) 写成每个振型的运动方程如下： j ，。o ) + 2 f 。c y 。+ y 。= 只o ) m 。 ( 2 6 ) 对荷载的振型反应 对公式( 2 6 ) 求解，可得到每一个振型的一般动力反应表达式，用杜哈梅积分给 出为： 圹去p ( r p 。o r 胁 2 卅 式中，国。= 国。1 一f 2 自由振动 式( 2 7 ) 只适用于t = 0 的时候处于静止状态的体系，假如初始速度和位移不为零， 必须将每一个振动的自由振动反应加到杜哈梅积分中，每一个振型有阻尼自由振动反应 的通式是： y 。o ) e 一矗。 ! - ! ! - ：i ：1 8 纽s i nc 。巩r + y ( o ) c 。s n h t ( z s ) 这里y 。( o ) 和夕。( 0 ) 表示初使振型位移和初速度，对于每个振型分量有： 删= 碱) 阻p 。 ( 2 - 9 ) 沈阳农业大学硕士学位论文 振型叠加求位移反应 由式( 2 8 ) 求出每一阶振型的反应后，即可求出位移向量： v 0 ) = 瞄b o ) ) 也可以写成： v o ) = 溉抄。t ) + 娩抄：o ) + 瓴抄，o ) + 即表示各个振型贡献的叠加。 弹性力反应 结构位移的时程荷载可以作为动力荷载作用下结构反应的基本度量。一般说来其他 反应的参数，如各种结构构件中产生的力和应力都能直接由位移求出。如抵抗结构变形 的弹性力为： o ) ) = 医k v ( r ) ) = 医髟桫o ) ) ( 2 一l o ) 按照振型贡献叠加的反应形式写出为： 帆o ) ) = k k b 。o ) ) + 医k 】( y ：) + 医k 耽o ) ) + 2 1 3 模态分析 系统的固有振动并不是一种真实状态的振动，它仅仅反应系统的一种固有特性，是 在无外部激振力条件下系统可能发生的振动状态的集合。多自由度体系的模态分析是按 下式计算结构的自振频率和振型，分析中忽略阻尼的影响。 阻】妙 + 医弦) = o ) ( 2 _ 1 1 ) 式中： m 为结构质量矩阵； k 为结构刚度矩阵；( u 为结点位移向量； n ) 为结点 加速度向量。 对于弹性系统，式( 2 1 1 ) 的解可写成： 如) = c o s q f ( 2 1 2 ) 式中u ，即为第i 阶自振频率， 中 i 为对应的振型向量。 水电站厂房是一个大体积混凝土蜗壳、立柱、机墩、吊车梁、基础、屋盖等构件的 复杂的结构体系，对这样的大型组合结构进行较精确的模态分析，必须考虑各构件间的 相互影响，必须作整体分析。它不同于楼板上部梁杆体系，只要用少数几个单元就可较 好地计算出模态特性，但对于楼板体系，必须要进行精确的单元划分，同时也要考虑到 计算软件的规模、计算机硬件的容量和速度限制。此外，一个重要的问题是各构件单元 自由度的协调，目前广泛采用的是罚单元法或约束方程法，即对各构件分别划分并采用 不同自由度的单元，再通过约束方程或罚单元进行整体连接。这样处理的好处是对单元 划分的相对简单，但对于大型楼板的模态分析需要消耗大量计算资源，精度也得不到保 证( 王文宁，1 9 9 9 ) 。对混凝土块体和楼板结构直接进行整体建模，再通过布尔操作切 割、搭建出各构件个体，单元划分时保证了交接面上的节点全部连续对应。这种建模方 法实施相对困难，技巧要求高，但可以最大限度地加密网格，取得较好的计算结果( 沈 第二章楼板动力分析基本理论 可和张仲卿，2 0 0 1 ；顾鹏飞和喻远光，1 9 8 7 ) 。 2 1 4 谐响应分析 任何持续的周期荷载将在结构系统中产生持续的周期响应( 谐响应) 。谐响应分析 是设计人员能预测结构的持续动力特性，从而是设计人员能够验证其设计能否成功地克 服共振、疲劳，及其它受迫振动引起的有害效果。 谐响应分析又称作谐波响应分析，用于求解现行结构承受正弦变化荷载的响应。该 分析类型用于研究随时间谐变化荷载的影响，诸如支座、旋转机构的底座等。 谐波响应分析的控制方程是通用方程的特例。其中力函数 ，o ) 是一个已知的时间 函数，它以已知的幅值f 0 和已知的频率( 或相位角咖) 正弦地变化。 f o ) ) = 慨b s ( 耐+ 庐) + 两n 陋+ 强 位移响应在频率下正弦地变化，但是相位与力函数不同。荷载可以是节点力或者强 制位移。位移解可以在用户选定的频率点用幅值和相位角( 或者用实部和虚部) 来表示。 有三种方法用于谐波响应分析：f u l l ( 完全法) 、r e d u c e d ( 缩减法) 、m o d e s u p e r p o s i t i o n ( 模态叠加法) 。全谐波响应分析用于复杂的稳态响应问题的计算。其非 对称的矩阵提供了多种增强的分析能力，所以，能分析复杂问题，如声学、压电、转子 动力等。该分析方法只需要一步求解步骤。凝聚法和模态叠加法可用于线性结构，这种 分析中的矩阵是对称的，这种方法比完全法省时间，但是不能求解非对称矩阵，而完全 方法可以。凝聚法使用g u y a n 法凝聚( k 、( m ) ( c ) 矩阵，包括两步求解过程( 凝聚解 和扩展过程) 。模态叠加法也是多步的过程，可采用凝聚矩阵( 利用g u y a n 凝聚) 或满 阵，且需要在进一步求解前进行分析( r w 克拉夫，1 9 8 5 ) 。 2 1 4 1 谐响应分析的应用 谐响应分析是用于确定线性结构在承受随时间按照正弦( 简谐) 规律变化的荷载时 的稳步响应的一种技术。分析的目的是为了计算出结构在不同频率下的响应。并得到响 应值( 通常是位移) 对频率的关系曲线。从这些曲线上可以找到“峰值”响应，并进一 步观察峰值频率对应的应力。 这种分析技术只计算结构的稳步受迫振动。发生在激励开始时的瞬态振动在谐响应 的分析中不予以考虑。 谐响应分析是一种线性分析。任何非线性特性，诸如塑性和接触( 间隙) 单元，即 使被定义了也将被忽略。但是在分析中可以包含非对称系统矩阵，诸如分析流体与结构 相互作用的问题。谐响应分析也同样可分析有预