潘口水电站厂房结构三维动力特性分析

1、潘口水电站厂房结构三维动力特性分析论文摘要：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，地处堵河干流上游河

2、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值模型、地基

3、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素。采用有限

4、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: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式中，为结点振幅列阵结构在自由振动时，各结点的振幅不全为零，所以式式对式上述性质称为以为权的振型正交性。对式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

5、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，水平向地震惯性力可以按下式计算：.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

6、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5.2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，对此应予以关注。2在地震荷载作用时X方向最大振幅1.804mm，Y方向最大振幅值为1.837mm，Z方向最大振幅值为5.687mm，均未超过标准允许值，根本满足标准要求。说明厂房在地震荷载作用下不会产生过大变形而影响机