灯泡贯流式机组厂房动力特性及地震响应分析

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1、灯泡贯流式机组厂房动力特性及地震响应分析Huang.hl摘要与一般水电站厂房相比，灯泡贯流式机组由于其结构的特殊性，其厂房结构内力分布较其他型式的厂房更加复杂，动力特性及动力响应等方面也有其自身的特点。本文针对以上问题，采用三维有限单元法，结合在建的老挝某水电站，对灯泡贯流式水电站厂房的动力特性进行分析研究，并对其地震响应也做了初步的分析，在此基础上对地震加速度进行频谱分析，从频域角度分析结构的地震响应做了初步的探索。关键词河床式厂房动力特性有限元法灯泡贯流式机组地震响应随着中、高水头水力资源开发利用

2、到一定程度，低水头水力资源将日益得到重视，灯泡贯流式水电站以其在投资、电站布置和运行等多方面的优越性，成为开发低水头水力资源的优良机型[1~2]。灯泡贯流式机组由于其结构的特殊性，内力分布较其他型式的厂房更加复杂，厂房结构的自振特性以及在地震作用下的动态响应等问题，需要通过理论与数值研究确定。经调研，随着国内外灯泡贯流式机组越来越多的应用，对灯泡贯流式机组运行、厂房结构稳定方面的研究也开始深入，但针对灯泡贯流式水电站厂房结构动力分析方面的研究并不太多。而且还存在一个现象是，大多工作是针对厂房主体结构或

3、某一部位进行振动状况分析，而忽略了梁板柱系统、副厂房、尾水管等结构的影响。为了较准确的分析灯泡贯流式机组厂房结构动力特性和动力响应，需要把梁板柱系统、副厂房、尾水管及厂房主体结构作为整体来研究。正是在这样的背景下，本文结合在建的灯泡贯流式水电站厂房，选取厂房坝段整体结构，采用结构动力分析方法，借助ANSYS三维有限元软件，对水电站厂房的动力特性和地震响应的特点开展了一些初步的研究和探讨，以期为设计及类似工程提供参考。1工程概况老挝某水电站位于老挝湄公河一支流上，枢纽主要由河床式厂房和两岸碾压混凝土堤坝

4、及坝上非常溢洪道组成。河床式厂房共布置4台65MW灯泡贯流式机组，单机单缝，厂房坝段结构如图1所示。9图1厂房横剖面示意1.主厂房；2.副厂房；3.发电机检修进人孔；4.水轮机检修进人孔5.流道；6.灯泡机组；7.灌浆廊道；8.渗漏排水廊道2计算模型2.1模型范围整体模型以厂房中间标准机组段为对象，厂房沿纵轴线方向长度为21.34m，上、下游宽度为81.13m，主厂房最大高度59.40m。为考虑厂房基岩对整体结构的影响，模型基岩向上、下游方向各延伸120m，底部向下延伸120m。计算模型采用笛卡尔直角

5、坐标系，其Ｘ轴为水平方向，沿厂房纵轴指向右端为正（面向下游），Ｙ轴为铅垂方向，向上为正；Ｚ轴为水平方向，指向上游为正。在计算范围内，对厂房流道、外围混凝土及上部结构均按实际尺寸进行模拟。模型两侧混凝土边界按自由面考虑，计算模型中基岩各边界均施加法向约束。2.2材料参数计算模型采用的主要材料参数如下表1。表1主要材料参数表C30混凝土C25混凝土基岩容重/(kN/m3)24.524.5-弹性模量E/(GPa)23.6421.594.00泊松比m0.1670.1670.2593动力特性分析考虑厂房上、下部

6、结构质量和刚度差异较大，本节采用2种模型进行结构的模态分析：（1）整体模型，见图2；（2）厂房下部结构模型，见图4，用Mass21质量单元在模型相应的位置模拟上下游排架的重量。因流道内水体对结构模态存在一定影响，故在本计算中，流道内的水体采用Mass21质量单元加以考虑，计算采用分块Lanczos迭代法提取前20阶模态。根据计算结果，将2种结构模型的前20阶自振频率列于表2。表2结构自振频率（Hz）模型1234567891011121314151617181920（1）1.792.672.794.00

7、4.795.245.396.076.266.937.107.177.678.368.408.659.7210.0810.6911.00（2）2.804.675.396.057.428.059.6610.0110.4311.9212.0912.5114.9716.1117.2117.3617.4619.3919.5220.14根据表2的自振频率和模态结果可知:（1）对整体模型，低阶振型主要体现厂房进水口及副厂房上部排架柱、墙的振型，说明上部排架柱刚度较低，这主要因为排架柱结构跨度较大而构件截面较小所致。

8、同时可看出，前20阶振型有较多阶都是发生在这些部位，因此这些部位是厂房结构中抗振的重点处理部位，建议设计时在进水口上部排架柱间布置混凝土墙，增加各向刚度。从高阶（14阶）开始厂房进水口边墙才开始横河向振动，频率为8.36Hz，说明本电站进水口拦污栅下游混凝土横梁对进口边墙和中墩支承作用较大，一定程度上提高了进口高边墙、高中墩的侧向刚度。（2）对厂房下部结构模型，前4阶振型均表现为下部整体结构沿不同方向的振动，分别为横河向、顺河向、水平扭转和铅直向，说明厂