潘口水电站厂房下部结构三维有限元静动力分析研究

1、潘口水电站厂房下部结构三维有限元静动力分析研究论文摘要：局部已建水电站的运行实践说明：厂房振动问题是影响水电站正常运行的主要因素之一，它不仅直接影响到机组的平安稳定运行，缩短检修周期和使用寿命，严重时还会引起整个厂房的振动，以至被迫停机，这就需要在设计和建设过程中进行相应的研究，采取有效措施，尽量防止厂房振动的发生，将损失减小到最小。本文以潘口电站厂房结构为研究对象，利用三维有限元分析了厂房结构自振特性和在地震荷载作用下结构的动力特点，对厂房整体结构共振进行校核和评估，提高电站平安运行和管理。论文关键词：水电站,三维有限元,动力特性,自振频率1.前言潘口水电站位于湖北省十堰市竹山县境内，地处堵

2、河干流上游河段，坝址距竹山县城13km，经鲍峡镇至十堰公路里程162km。工程开发任务以发电、防洪为主，电站建成后还具有增加南水北调中线可调水量，提高南水北调的供水保证率，改善库区通航条件等综合利用效益。水库正常蓄水位355.00m，相应库容19.70亿m3，总库容23.38亿m3，调节库容11.20亿m3，为完全年调节水库。电站装机2台，总装机容量500MW。潘口水电站工程为一等大(1)型工程。枢纽建筑物主要由混凝土面板堆石坝、右岸岸边开敞式溢洪道、右岸泄洪洞、左岸引水隧洞、地面厂房和开关站等组成。地面厂房为1级建筑物。为确保水电站厂房的抗震平安稳定及电站与电网平安运行,合理模拟结构的抗震数

3、值模型、地基的边界条件,分析抗震尤显重要。多年来,对大型水电站建筑物进行抗震分析时常将整体结构视为刚性体或均匀各向同性的弹性体,忽略结构材料的不均匀性和类别，与实际存在很大差异。鉴此,本文做如下改良:采用非线性三维有限元分析混凝土结构,对流道系统等金属结构采用满足Mises屈服准那么的等向弹塑性模型;采用ANSYS软件建立电站厂房三维有限元模型，利用标准要求的拟静力法来研究电站动力特性，为厂房平安运行和管理提供依据。2.结构动力分析原理2.1结构动力平衡方程结构动力分析的有限元法同结构静力分析一样，要把结构离散为有限个单元。不过在考虑单元特性时，结构所受到的荷载还需考虑单元的惯性力和阻尼力等因

4、素。采用有限元法分析结构的地震响应时，根据最小势能原理可以导出整个结构的动力平衡方程:1式中，分别为结构的结点位移、结点速度和结点加速度列阵；，分别为系统的整体刚度矩阵和整体阻尼矩阵；是结构的集中质量矩阵，可由以下单元刚度矩阵，阻尼矩阵，质量矩阵集合而成。式中，为应变矩阵，为弹性矩阵，为形函数矩阵，为材料的密度，为材料的阻尼系数，为地震时的地面运动加速度矩阵。根据根本方程1，可以求解结构自振特性和地震响应等问题。2.2结构自振特性和振型结构的自振特性频率和振型是结构动力计算中的主要内容之一。在动力平衡方程式1中，令为零，得到自由振动方程【5】。在实际工程问题中，阻尼对结构的自振特性影响极小，所

5、以求频率和振型是可以不考虑阻尼的影响的，所以在动力平衡方程式1中，为零，可得到结构的无阻尼自由振动方程:2设在自由振动时，各质点作简谐振动，各结点的位移可以表示为3式中，为结点振幅列阵即振型，为与该振型对应的频率。将式3代入式2，可得广义特征方程4结构在自由振动时，各结点的振幅不全为零，所以式4的系数行列式必须为零，由此可得求解结构自振频率的方程5式5称为特征方程。因为结构的刚度矩阵和质量矩阵都是n阶的方阵，式中n等于自由度的数目，所以式5是关于的n次代数方程，由该方程解出的n个的值可按升序排列为第个特征值的算术平方根称为结构的第阶固有频率。对于每个自振频率，由式4可确定一组各结点的振幅值它们

6、互相之间应保持固定的比值，但绝对值可任意变化，它们构成一个向量，称为特征向量，在工程上通常称为结构振型。结构振型具有以为权和以为权的正交性，由式4，对于第阶振型和第阶振型，分别有67对式6两边各左乘，对式7两边各左乘，然后将两式相减，得到当时，因此当8上述性质称为以为权的振型正交性。对式7两边乘，得到9上述性质称为以为权的振型正交性。对于大型结构的自振频率和振型，目前多采用子空间法求解。2.3拟静力法结构抗震分析通常采用拟静力法和动力法【6】，所谓拟静力法是指将重力作用、色合计地震加速度与重力加速度比值、给定的动态分布系数三者乘积作为设计地震力的静力分析方法。当采用拟静力法计算地震作用时，水平

7、向地震惯性力可以按下式计算：.10式中：F为作用在质点i的水平向地震惯性力；为水平向设计加速度，为质点i的动态分布系数即水平地震加速度分布系数，可以按照图1计算；G为集中在质点的重力；g为重力加速度。图1水平加速度分布系数由于地址时建筑物的绝对地震加速度是由地面加速度和建筑物相对加速度组成，水工建筑物的动态分布系数组合方式按下式计算：(11)振型参与系数反映j振型在整个振动中参与的分量，每一振型均为一常数，可根据振型而求得，公式如下:(12)式中：W为质点i的重量。3.计算荷载、工况组合及计算参数3.1计算荷载与工况组合1自重；2水压力；(3)楼面活荷载，发电机层楼面均布活荷载为40kN/m，

8、水轮机层楼面均布活荷载为20kN/m；主厂房屋面均布活荷载为0.4kN/m；(3)水锤压力蜗壳最大内水压力为136m水柱(包括水击压力)；尾水管的吸出高度为4.5m水柱；(4)地震潘口坝址的地震根本烈度为7度，50年超越概率为0.05，相应的设计加速度为0.134g。动力分析方法根据?水电站厂房设计标准?(SL266-2001)规定：一般情况下，水电站厂房建筑可只考虑水平向地震作用，除1级壅水厂房应按照动力法进行抗震计算外，其余厂房可采用拟静力法计算；(5)机电设备载荷按照设计型号取定，具体数值略。施加荷载时，考虑各种荷载组合时，作用按照?水工建筑物荷载设计标准?DL5077-1997和?水电

9、站厂房设计标准?SL226-2001规定选取。其分项系数取值见表1。表1作用分项系数取值表 作用 结构自重 静水压力 楼面活荷载 机电设备动力荷载 永久机电设备重 地震荷载 分项系数取值 1.05 1.0 1.2 1.2 1.05 1.0 3.2计算内容与工况结构自重+内水压力(静水压力)+上部各种荷载的根本组合地震荷载。(1)厂房整体结构自振特性研究。水电站厂房整体结构是承受机组动荷载的主体结构，结构体系本身较为复杂，设备开孔众多，因此要求结构体系具有足够的整体刚度来承受机组振动荷载。为此采用三维有限元方法，对厂房水上结构和水下大体积混凝土结构进行整体刚度分析，计算厂房结构的各阶频率和振型，

10、对厂房结构进行优化。(2)厂房整体结构动力反响(振幅)分析。3.3计算参数1厂房结构混凝土材料参数。见表2。表2厂房结构混凝土材料参数 序 号 项 目 上部结构 下部结构 备 注 1 混凝土强度等级 C25 C20 2 静弹性模量E(MPa) 2.80 x10 2.55x10 3 动弹性模量E(MPa) 3.64x10 3.315x10 4 泊桑比m 0.167 0.167 5 容重g( (kN/m ) 25 25 2厂房钢蜗壳及座环材料参数。见表3。表3厂房钢蜗壳及座环材料参数 序 号 项 目 钢蜗壳 座 环 备 注 1 钢材型号 16MnR Q235B 2 静弹性模量E(MPa) 2.06

11、x10 2.06x10 3 动弹性模量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地基材料参数地基弹性模量取20Gpa，泊松比取0.24.三维有限元模型的建立1总体直角坐标系以顺河向为X轴，向下游为正；高度方向为Z轴，竖直向上为正，由右手坐标系确定Y轴正向指向左岸。2计算模型的取值范围基岩沿上游方向延伸了0.5倍厂房下部结构高，即20.00m，沿下游方向延伸了1倍厂房底宽，即26m，竖直方向由建基面向坝基深处也延伸了1倍厂房下部结构高，即40.00m。由于厂房结构复杂，很难保证所有局部用六面体划分网格，故采用SOLI

12、D45、SOLID95、SOLID92三种实体单元混合模拟。模型中计算单元数为142483个，节点数190004个。基岩均采用SOLID45单元，网格划分过程中尽可能采用六面体，但由于布尔运算造成的不能划分成六面体的局部用SOLID92单元划分成四面体，四面体和六面体过渡局部用SOLID95退化形成的金字塔单元过度。图2整体模型三维有限元网格图5.计算结果5.1厂房整体结构自振特性研究为了准确模拟厂房整体结构自振特性，将厂房上部结构质量平均转化作用在排架柱与发电机层楼板接触面，因电站多数情况下过水，考虑蜗壳与尾水管有水工况许多研究说明，过水与放空两种工况计算的自振频率相差不大。计算结果列出了前

13、4阶厂房自振结果：图3潘口电站厂房整体一阶自振频率与振图4潘口电站厂房整体二阶自振频率与振型5.999Hz型8.09Hz图5潘口电站厂房整体三阶自振频率与振图6潘口电站厂房整体四阶自振频率与振型11.37Hz型12.326Hz5.2厂房整体结构在地震荷载作用下的动力反响振幅计算图7地震工况潘口电站厂房整体沿X方向位移图8地震工况潘口电站厂房整体沿Y方向位移图8地震工况潘口电站厂房整体沿Z方向位移6.结论1可以看出，潘口电站结构基频为5.999Hz，发电机层楼板基频为11.37Hz，风罩与机墩基频为12.326Hz，根据设计院提供的根本资料，机组固有振动频率为：额定转速时1.28Hz，飞逸转速时3.83Hz。因此，无论是与机组额定转速时的固有频率相比，还是与机组飞逸转速是的固有频率相比，均满足结构自振频率错开机组固有频率1.2-1.3倍的要求。所以，以机组固有频率为周期的激振不引起厂房结构的共振。对发电机层楼板和风罩等薄弱部位，其共振基频或某些高频，也可能与某些激振主频发生共振，更易引起振动破坏，影响机组正常运行，为此，在厂房的抗振设计中，对此应予