浅析河床式水电站主副厂房不同连接形式抗震分析

'第30卷第1期水利水电科技进展2010年2月V01．30No．1AdvancesinScienceandTechnologyofWaterResourcesFeb．2010DOh10．388o／j．issn．1006—7647．2010．O1．O11河床式水电站主副厂房不同连接形式抗震分析陈婧，姚锋娟，马震岳，张运良(大连理工大学土木水利学院，辽宁大连116024)摘要：结合四川省某河床式水电站的工程实例，通过建立包括主厂房和副厂房在内的厂房坝段整体三维有限元模型，研究了在主厂房和副厂房之间不同的连接形式下厂房整体结构的固有振动特性，并进行共振复核。采用反应谱分析方法对模型进行抗震分析，考察了主厂房和副厂房不同连接形式对厂房(尤其是副厂房)主要构件地震反应的影响规律，提出了合理的连接方案，为该河床式厂房的抗震设计提供科学依据。关键词：河床式水电站；水电站厂房；连接形式；谱分析；抗震设计中图分类号：TV312；Ⅳ73l文献标识码：B文章编号：1006—7647(2010)01—0048—04Seismicanalysisforvariousconnectionpatternsbetweenmainandauxiliarypowerhousesofwater-retainingpowerstatiop．s／／CHENJing，YAOFeng~uan，MAZhen-yue，ZHANGYn—liang(SctuaolofCivilandHydraulicEngineering，DalianUniters0，Technology，Dalianl16024，China)Abstract：Basedonthepracticesofawater-retainingpowerstationinSichuanProvince，a山ree—dimensionalfiniteclementmodelWasestablishedforthepowerhouseintegrityincludingthemainandauxiliarypowerhouses．Thefreevibrationcharacteristicsandthepossibilityofresonanceofthepowerhouseintegrityundervariousconnectionpatternsbetweenthemainandauxiliarypowerhonseswerestudied．Thespectralanalysiswasemployedtoanalyzetheseismiccharacteristicsofthemode1．I11eintluencesofv~iOHSconnectionpatternsbetweenthemainandauxiliarypowerhousesontheseismicresponsesofthemaincomponentsofthepowerhouses(especialytheauxiliarypowerhouse)wereinvestigated．Arationalschemef0rtheconnectionWasproposed，anditwouldprovidescientificbasisfortheseismicdesignofthewater-retainingpowerstation．Keywords：water-retainingpowerstation；powerhouse；connectionpattern；spectralanalysis；seismicdesign我国河流的水能资源非常丰富，可开发量居世条件的影响，一些河床式水电站将变压器和高压组界第1位。但地区分布很不均衡，其中67．8％位于合开关等大型电气设备也布置在副厂房中，导致副西南地区_lJ。该地区地震烈度相对较高，地震活动厂房结构较高，顶部高于主厂房顶部，主、副厂房间频繁，尤其是发生5．12汶川大地震后，对处于该地的连接形式对主、副厂房的抗震性能会产生一定的区的水电站建筑物进行抗震复核就显得尤为重要，影响，尤其对于副厂房结构，由于其刚度低于主厂房抗震问题成为该地区水电工程设计、运行和管理的刚度，连接形式对其抗震特性的影响将较大。本文关键问题之一。河床式水电站厂房本身既是发电建通过建立四川省某河床式水电站厂房坝段三维有限筑物，又是挡水建筑物，副厂房通常布置在主厂房下元模型，研究了主厂房和副厂房间不同的连接形式游侧，底部坐在尾水管顶板上。厂房整体结构复杂，对厂房(尤其是副厂房)结构抗震特性的影响，提出刚度变化较大，同时上下游面均与水体直接接触，这了合理的连接高程(缝底部高程)和结构设计方案。就使得厂房结构的抗震稳定性问题变得更加重要，1有限元计算模型厂房结构的抗震安全对保证电站的正常发电运行和工程防洪安全均有重要的意义。目前国内外对水电某河床式水电站位于四川省境内，是大渡河干站厂房振动的研究颇多，但对河床式水电站厂房振流规划的一级电站。电站装机容量为660MW，安装动的研究还较少l_2，而且均以主厂房为研究对象，4台单机容量为165MW的水轮发电机组。电站厂没有考虑副厂房。近来，由于受地质、地形、施工等房坝段布置在河床右岸，工程等别为二等工程。厂基金项目：国家自然科学基金(50679009)作者简介：陈婧(1972一)，女，河北易县人，讲师，硕士，从事水电站建筑物结构静、动力分析研究。E-maihchjmyh@sina．COI1·48·水利水电科技进展，2010，30(1)Tel：025—83786335E-mail：@hhu．edu．elhttp：／／kkb．hhu．edu．m 房坝段顺水流方向宽90．0m，沿坝轴线方向总长度侧连接高程为612．60m；⑤模型5：副厂房上游侧连为139．92113，由3个长度为33．98m和1个长度为接高程为620。10m，下游侧连接高程为642．00m。37．98m的坝段组成，各厂房坝段间设置有结构缝。2计算荷载和计算方法副厂房位于主厂房下游侧，高度约40m，底部坐在尾水管顶板上，为框架结构。厂房坝段结构如图1所抗震计算时的上游水位为正常蓄水位，下游水示，从图1中可看出主厂房结构刚度较大，副厂房结位为最低尾水位。静荷载包括：结构自重、设备重、构刚度较小。楼面活荷载、外水压力、内水压力、扬压力和泥沙压力等；动荷载包括机组正常运行动荷载和地震荷载。地震荷载作用下厂房结构的动力反应计算采用振型分解反应谱分析方法，主要研究结构的抗震强度。设计反应谱依据DL5073-2000(水工建筑物抗震设计规范》I5j，反应谱曲线见图3，其中最大值代表值p=2．25，根据场地类别I类取场地的特征周期T=0．20S。根据5．12汶川地震后四川省地震局5月21日提出的“5．12汶川地震一级重灾区地震烈度情况表”，该河床式水电站厂房的水平向设计地震加速度代表值为0．15g，竖向设计地震加速度代表值取水平向的2／3，为0．1g。阻尼比取5％。为图1厂房坝段结构示意图(单位：m)保证计算精度，考虑到厂房结构振型的密集和复杂选取中间厂房坝段结构进行三维有限元计算。性，取前50阶进行振型计算，地震作用效应不超过地基基础的模拟范围为：沿顺河向分别从上游侧和0．1％的高阶振型略去不计，各振型的地震作用效应下游侧向上游和下游各延伸160In，竖向从底部向下按DL5073-2000(水工建筑物抗震设计规范》l5J规延伸160m。将地基视为无质量的弹性地基，只考虑定的平方和方根法(SRSS法)组合。计算时考虑结其对厂房结构的约束作用。边界条件为：岩石底边构有效质量及动水压力，分别施加顺河向、横河向、界固定，四周边界法向约束；混凝土结构外边界均为竖向反应谱，再按SRSS法叠加各分量反应，竖向地自由；各层楼板与梁柱按整体连接考虑(整体浇筑)。震作用效应遇合系数取0．5。在评价安全度时，地厂房坝段结构(不考虑岩石)有限元模型网格剖分如震作用效应折减系数取0．35。图2所示0．1疋图3DL5073-2000中的反应谱曲线地震时，上下游动水压力对厂房坝段的影响十分显著。由于计算库水可压缩性影响因素的复杂性以及其影响与不可压缩水体相差不大l6J，因此在实图2厂房坝段结构有限兀模型网格剖分际工程的抗震计算中，通常不考虑水体的可压缩性根据主厂房和副厂房之问连接形式的不同，共影响。一般按照DL5073-2000((水工建筑物抗震设建立了5种计算模型。①模型1：副厂房上游侧连计规范》l5j推荐的坝工界普遍采用的维斯特伽特接高程为620．10nl，下游侧连接高程为612．60rn；(Westergaard)公式进行计算，即②模型2：副厂房上下游侧连接高程均为628．50m；1一③模型3：副厂房上下游侧连接高程均为642．00m；P(h)：古ahp~／Hoh(1)U④模型4：副厂房上游侧连接高程为642．00lq"l，下游式中：P(h)为水深h处的地震动水压力代表值；nh水利水电科技进展，2010，30(1)Tel：025—83786335E．mail：拓@hhu．edu．cnhttp：／／khb．hhu．edu．cn·49· 为水平向设计地震加速度代表值；p为水的密度；低频涡带、水轮机转轮叶片数频率、导叶后压力脉动‰为总水深。l2以3及4电5气6高频7发8生9共K振的危险性基本不存在，频率进行动力计算时，将按式(1)计算的地震动水压保持有足够的错开度；②由于2倍转频和飞逸转频O12223344力折算为与单位地震加速度相应的坝面附加质量。出现的概率比正常转频低，可不作重要问题研究；卯∞∞凹鲫③后3个模型的第1阶频率、模型2的第2和第3阶3固有振动特性分析结果l1频1率2与2机3组转3速3频4率4较为接近，结构有发生共振的各模型的前l0阶自振频率计算结果见表1。可能。龇建加议有们条件时考虑将副厂房上、下游框架修5种模型的前3阶振型相同，均表现为副厂房结构改为框架一剪力墙结构或实体墙结构，使结构整体沿●l22345567的顺河向、横河向和水平扭转振动；模型l的第5阶高度不致出现大的突变，尽量降低产生共振的可竹振型和后4种模型的第4阶振型均为主厂房上游坝能性：体结构的横河向振动；模型1的第8阶振型、模型2ll223445554地震单独作用计算结果分析的第7阶振型以及后3种模型的第5阶振型均表现如阱为主厂房上游坝体结构的顺河向振动。地震作用下各典型部位最大总振动位移、振动ll速2度2和3振4动4加4速度5以6及最大动应力随副厂房刚度查[笙塑旦堡塑垩些加s{∞∞∞阶次模型1模型2模型3模型4模型5(连接形式)变化如图4所示。分析计算结果可知：①地震作用下，副厂房结构的振动反应较大，主厂房结构的振动反应较小，说明副厂房结构的刚度较小；各部位振动位移从低到高逐渐增大，最大值均位于顶部，其中各模型副厂房顶层楼板的振动反应最大。②各种模型下，副厂房结构各部位的最大振动位移基本随刚度的增加逐渐减小，但最大振动速度和加速度随刚度增加而变化的规律除下游柱表现为逐渐增加外，其余则各不相同，计算结果表明：主、副厂房间连接形式的不同对没有规律，整体最大振动速度和加速度表现为模型副厂房自振频率的影响较大，主要是由于副厂房结4最大，模型1最小。主厂房下游墙的最大振动位构的刚度比主厂房结构的刚度小很多，连接高程越移和振动速度随其与副厂房上游柱的连接高程的增高，副厂房相同振型的自振频率越大，即副厂房的刚加逐渐减小，振动加速度随连接形式的不同变化较度越大；主、副厂房间连接形式的不同对主厂房自振小。其余主厂房结构的振动反应幅值基本相同，说频率的影响很小，相同振型的自振频率基本没有变明主、副厂房的连接形式对其影响很小。③厂房坝化，说明连接高程的变化对主厂房的刚度基本没有段各部位的动拉应力响应大部分都在0～1MPa，但影响届0厂房上(或下)游侧连接高程较低时，副厂房是在几何尺寸突变处和结构各部分的连接处，如发自振频率随着下(或上)游侧连接高程的变化幅度大电机层楼板与风罩连接处、上游坝体与水轮机层地于副厂房上(或下)游侧连接高程较高时的对应变化面连接处、主厂房下游墙牛腿上部以及上下游闸墩幅度；对比模型4和模型5，副厂房上游侧连接高程根部等部位产生了应力集中，但应力集中的范围很较高时的自振频率略小于副厂房下游侧连接高程较小。各部位最大动拉应力随刚度的变化规律各不相高时的自振频率，主要是由于主厂房下游墙的刚度小于尾水墩的刚度。总之，5种连接形式中副厂房同，但整体结构的最大动拉应力表现为模型1最大，刚度从低到高次序分别为：模型1、模型2、模型4、模模型2最小。型5、模型3。5动静力叠加计算结果分析引起水轮发电机组振动的原因很多，大致可分为机械、电磁和水力3种l7j。本电站机组的主要振厂房结构的抗震分析需要考虑地震荷载和正常源频率特性为：尾水管低频涡带频率为0．30～运行动静荷载的共同作用。各模型在动静荷载共同0．51Hz，转速频率及其倍频为1．52Hz和3．03Hz，飞作用下各典型部位的最大振动位移和振动应力随副逸转速频率为4．05HZ，电磁频率为50Hz，水轮机转厂房刚度的变化见图5。轮叶片数频率为9．09Hz，导叶后压力脉动频率为动静荷载叠加后，主厂房下游墙及副厂房结构l8．18Hz。从表1中可以看出：①厂房结构与尾水管的最大位移和拉应力随连接形式的不同变化相对较‘50。水利水电科技进展，2010，30(1)Tel：025—83786335E-mail：jz@hhu．edu．cnhttp：／／kkb．hhu．edu．m 一剐厂房楼板—洲厂房卜游柑—一发电机层楼板一刨厂房游札一生厂房游墙+火体l羊J{凝l：Bd＼864．gg＼，—．一_＼／’＼一／．_蚶模(a)振动位移模(b)振动速度箬山蔓蓦s蟠l2345模模(c)振动』JfI速度(d)振动力图4地震作用下各模型各部位最大振动反应幅值和振动应力幅值一删厂房楼板—j厂房卜游朴各部位超过1MPa的应力范围均比地震荷载单独作一划厂膀卜}1一发电机层楼板—一clj1J厂房游}j一人体私I、I~ll缀i用情况的有所增加，其中发电机层楼板处增加最大，主要是由于活荷载较大。与地震荷载单独作用时的量g20结果对比，上游闸墩、主厂房下游墙及副厂房结构叠加后地震荷载对位移起主导作用，主厂房下游墙和督l5副厂房立柱结构叠加后地震荷载对应力起主导作：面lO用，其余部位叠加后正常运行动静荷载对位移和应力起主导作用。OI2345模6结论(a)振动位移ffa．主厂房和副厂房间连接形式的不同对副厂一入房自振频率的影响较大，对主厂房自振频率基本没一，一．／一—一有影响。主要是由于副厂房结构的刚度较小，主厂房结构的刚度较大。连接高程越高，副厂房相同振＼～／型的自振频率越大，即副厂房的刚度越大。，．b．抗震分析结果表明，主、副厂房间不同的连2345接形式对副厂房和主厂房下游墙结构的影响较大，模型(b)振动』力对主厂房其余结构基本没有影响。连接高程越高，副厂房的振动位移越小，即刚度越大，但振动速度、图5叠加后各模型各部位振动位移幅值和振动应力幅值加速度和应力并没有随之增大或减小，表明连接高大，其中各部位的最大位移基本随连接高程(刚度)程越高虽然副厂房刚度越大，但对抗震的影响不大。的增高而减小，最大拉应力变化则无规律，副厂房整地震单独作用时副厂房结构最大振动速度和加速度体结构的最大拉应力表现为随刚度的增加而增大；表现为模型4最大，模型1最小；最大动拉应力表现其他部位的位移和应力随连接形式的不同基本不为模型1最大，模型2最小。动静荷载叠加后副厂变。最大总振动位移仍然出现在副厂房顶层楼板房整体结构最大拉应力随连接高程的增高而增大，处，最大为21．87mm；其次为副厂房立柱顶部，最大整体结构最大拉应力随连接高程的增高基本不变。为18．88Ⅱm，小于规范Es,8J规定的允许值；厂坝结构(下转第67页)水利水电科技进展，2010，30(1)Tel：025—83786335E-mad：jz@hhu．edu．mhttp：／／．MM．edu．m‘51。 由文献[7]或式(6)求得；由式(5)求得I临界水由式(1o)得深hK。h=rp=1．6023．2计算正常水深步骤(精确解为1．600m，误差为0．146％)根据已知条件由式(8)(9)求P和P；由文献h>hK，故此时水流状态为缓流。[8]或式(11)求得；由式(1O)求得正常水深h。4结语3．3算t~lr】已知某u形断面渠道，i=0．001，／7,=0．014，r=a．通过对U形渠道明渠均匀流方程和临界流1．Om，0o=80~，求Q=4．859m3／s时水流是急流还是方程恒等变形，选择适当的变量并应用优化拟合原缓流。理，得到了u形断面的正常水深和临界水深的显式3．3．1临界水深公式。通过以上误差分析及实例计算表明显式计算由式(3)(4)得K=dQ／(gr)=2．4067，K=式具有形式较简洁、计算精度较高的特点，方便工程设计人员在u形断面渠道工程设计中的直接使用。[0o-1sin2]／(2si0。)：0．9339。b．正常水深计算相对误差稍大，还需进一步因为K>K，所以研究。Cl=0．17420o一0．79240o+1．131300+0．3291=c．目前本文研究的u形渠道定义域仅为中心0．83806半角取值范围∈[70。，90。]、无量纲水深取值范围D1=一0．10440o3+040630o2-0．．490lo+0．4533=J9∈(0，2]的情况，今后要进一步研究适应范围更广0．27691的直接计算公式。由式(6)得参考文献：pK=C1l=1．069由式(5)得[1]常发强．偏离水力最佳断面渠道运行效益分析计算[J]．水利水电科技进展，2009，29(3)：14-16．hK：K=1．069[2]杨复刚．梯形渠道水力最佳断面应用浅析[J]．水利经(精确解为1．064，误差为0．448％)济，2003，21(4)：35—36．3．3．2正常水深[3]陈平，程吉林，欧建锋．梯形衬砌渠道边坡的优选方法由式(8)(9)得P=no／(~，)=2．1512，P：[J]．河海大学学报：自然科学版，2000，28(5)：25—29．[4]张志昌，李银才，刘亚菲，等．U形渠道水力最优断面的[。一i(2O。)】了／(2。){：0．707481。计算[J]．陕西水力发电，2001，17(2)：25—27．[5]陕西省水利水土保持局．U形渠道[M]．北京：水利电力因为P>P，所以出版社，1986．C2=一0．18420o+0．465700一0．23850o+0．9369=[6]吴持恭．水力学[M]．北京：高等教育出版社，1982．1．0104[7]李风玲，文辉，彭波．圆形过水断面临界流的近似水力D2=O．23220o3一O．69560o+0．890900+0．0821=计算[J]．人民长江，2008，39(11)：77—78．0．6020[8]文辉，李风玲，黄寿生．圆管明渠均匀流的新近似计算由式(11)得公式[J]．人民黄河，2006，28(2)：67—68．C2KD：=1(收稿El期：2009—05—05编辑：方宇彤)=．602(上接第5l页)[3]邹德兵，张建海，刘麟，等．土卡河水电站厂房坝段应力c．综合比较分析，建议主、副厂房的连接形式应变研究[J]．水利水电科技进展，2005，25(1)：28—30．[4]党国强，李守义，鞠静春，等．河床式水电站厂房坝段动采用模型2(地震动拉应力最小)。有条件时考虑将力分析[J]．电网与水力发电进展，2008，24(3)：70-73．副厂房上、下游框架修改为框架一剪力墙结构或实体[5]DL5073-2000，水工建筑物抗震设计规范[s]．墙结构，以提高其抗震性能。[6]陈厚群，侯顺载，杨大伟．地震条件下拱坝库水相互作用试验研究[J]．水利学报，1989(7)：26-28．参考文献：[7]马震岳，董毓新．水轮发电机组动力学[M]．大连：大连[1]董毓新．中国水利百科全书：水力发电分册[M]．北京：理工大学出版社，2003．中国水利水电出版社，2004．[8]DL50011—2001，建筑抗震设计规范[S]．[2]练继建，王海军，王E1宣．河床式水电站厂房结构动力(收稿日期：2009—04—27编辑：方宇彤)特性研究[J]．水利水电技术，2004，35(8)：37-40．水利水电科技进展，2010，30(1)Tel：025—83786335E-mail：j~@hhu．edu．mhttp：／／kkb．hhu．edu．Cl"t·67'