考虑流固耦合与上部结构影响的半地下厂房地震响应模拟

马曼曼 马丹丹 梁成彦

(1.河南省水利勘察设计有限公司,郑州 450000;2.中国水电基础局有限公司,天津 301700;3.华北水利水电学院水利工程学院,郑州 450011)

1 工程概况

根据发电机组尺寸及辅助设备布置要求,主厂房长58.60m,宽19.00m、高48.40m.机组间距12.20 m,底板开挖高程为472.70 m,地下水位高程为495 m,屋顶高程521.10m.主厂房分4层布置,分别为尾水管层(高程为474.20 m)、蜗壳层(高程为477.65 m)、水轮机层(高程为483.75m)和发电机层(高程为490.76m).机组安装高程为481.10m.厂房采用后浇带设计方案,即在板、墙、梁相应位置留设临时施工缝,若干时间后再浇注该施工缝混凝土,浇筑完成之后厂房成为一个整体结构,形成了超过50 m的大跨度厂房,比较少见.

2 有限元模型与计算方法

2.1 计算模型与材料属性

主机间分发电机层、水轮机层、蜗壳层、尾水管层,模型按照结构实际尺寸模拟了蜗壳、垫层、座环、导叶、蜗壳外围混凝土、尾水管及外围混凝土、机墩、风罩及各层楼板、集水井、厂房边墙以及吊物孔.根据地形条件地基向上游延伸1倍厂房宽度,向下游延伸1.5倍厂房宽度,地基深度60 m,混凝土结构,蜗壳,座环全部采用三维实体单元SOLID45模拟,运用质量单元模拟各种机电设备及其附属设备,导叶采用壳单元模拟,屋面梁采用BEAM189单元模拟,水体则采用FLUID30单元模拟.梁和排架柱接触部位仅约束平动自由度,从而实现屋面梁与排架柱之间的半刚接半铰接约束.

计算模型考虑了地基围岩参震,但围岩与厂房结构又不是刚性连接,因此仅耦合了基岩与厂房边界接触面的法向自由度.模型总共拥有单元数126415个,节点数122194个.厂房整体模型有限元网格如图1～4所示.

图1 整体网格模型1

表1 材料参数

2.2 工况及荷载

由于地震作用是及其复杂的,为了尽量真实的模拟地震的作用效应,该研究在三向耦合地震的作用下,针对厂房结构各典型运行工况的地震响应做出了分析,具体工况及荷载组合见表2.

表2 工况及荷载组合

2.3 计算方法

由于只关心厂房结构的最大地震响应,因此本文采用振型分解反应谱方法对该电站半地下厂房结构进行抗震分析.设计反应谱[1],收集了国内外各类地基上的多个地震加速度记录,经修正得到一条具有代表性的、偏于安全的外包反应谱曲线,如图5所示.图中β为动力放大系数,即结构的加速度反应与设计地震加速度代表值之比,其值除随结构自振周期和阻尼比变化外,还与结构所在场地类别以及震中离场区距离有关,βmax为设计反应谱的最大代表值.T为结构的自振周期,Tg为特征周期,根据场地类别确定.

图5 设计标准反应谱

电站地震设计烈度为Ⅶ度,其半地下式厂房的场地类别取为Ⅱ类.相应的设计反应谱最大代表值βmax取2.25,特征周期T=0.20s,根据设计资料,地表水平向加速度为0.15g,竖直向设计地震加速度取水平向的2/3.根据计算出的各阶模态采用规范规定的平方和方根法(SRSS)组合.

由于反应谱分析的计算过程不考虑静力荷载作用,所以,在此基础上应将谱分析的结果与静力荷载计算结果进行迭加计算,这样才能得到地震作用下的总效应.动静迭加时对地震作用效应按系数0.35进行折减后再与静力计算结果进行迭加.材料的动弹模取静弹模的1.2倍,恒定阻尼比取0.05[2-9].

3 厂房的自振特性分析

有限元模拟计算得到的各工况下厂房结构前20阶自振频率如图6所示.所有工况都考虑了设备和荷载所产生的附加质量,有水工况则考虑了流固耦合.从图6中可以看出,由于该半地下厂房结构自身约束作用强,其自振频率较高,5种工况在中频区的振动频率相差较大,低频和高频相差较小.工况1和工况2频率接近,其他3种工况比较接近.后4种工况因为考虑了流固耦合,导致厂房振动频率较工况1有明显的降低,后4种工况由于流固区面积的差异致使振动频率也不尽相同,流固区范围越大,厂房的振动频率越低.不难看出流固耦合对厂房自振频率的影响是比较明显的,其效应不容忽视.

图6 各工况下厂房结构的前20阶自振频率对比

厂房模型的绝大多数振型中,楼板的振动最为明显,楼板部分刚度较低,属于厂房振动的薄弱环节.在楼板的各阶振型中,发电机层楼板的振型较多,且频率相对较低,是厂房振动最薄弱的部分;与之相比,水轮机层楼板的振型较少,且频率相对较高.这主要是由于发电机层楼板的支撑结构(风罩)刚度较小,而水轮机层楼板同时受到蜗壳混凝土和机墩的共同约束,并且二者刚度都较大.

4 地震响应计算及结果分析

在三向耦合地震的作用下进行反应谱动力分析,再在此基础上进行水电站厂房结构动静应力的迭加计算.动静迭加时对地震作用效应按系数0.35进行折减后再与静力计算结果进行迭加.材料的动弹模取静弹模的1.2倍,恒定阻尼比取0.05.厂房结构最大位移见表3,最大主应力见表4,发电机层层最大位移云图如图7所示,发电机层最大应力云图如图8所示.

表3 各工况下结构的最大位移结果(单位:mm)

表4 各工况下结构的最大主应力结果(单位:MPa)

4.1 地震响应位移结果分析

各工况下厂房结构各部位的动位移结果对比见表3,对位移计算结果进行分析,总结以下几点认识:

(1)由于厂房结构长宽差别较大,纵向刚度远大于横向刚度,因此横向位移比纵向位移有明显增大.

(2)由于支撑结构是嵌入在基坑中,基坑边壁对厂房结构的变形起到限制作用,厂房在竖向具有一定刚度,因此在两种方案中,除楼板以外竖向位移比纵向位移和横向位移要小;由于楼板水平刚度远大于竖向刚度,因此楼板的竖向位移比水平位移要大.

(3)在三向耦合地震作用下,楼板,风罩和机墩部位的反映较大,下部大体积混凝土结构反映较小.1、2号机发电工况下厂房结构各部位的动位移最大,达到8.78mm,出现在2、3号机风罩及其附近的发电机层楼板;为最不利工况,这是由于1、4号机组附近楼板受到上下游墙和侧墙的约束,而2、3号机附近楼板仅受到上下游墙的约束,约束较薄弱.

4.2 地震响应应力结果分析

各工况下厂房结构各部位的应力结果对比见表4,对应力计算结果进行分析,总结出以下几点认识:

(1)在三向耦合地震作用下,楼板,吊物孔和风罩部位的拉应力较大,下部大体积混凝土结构以压应力为主,局部结构表现为拉应力,但都集中在尾水管混凝土以上部位.

(2)各典型运行工况中,1、2号机发电工况下厂房结构各部位的应力幅值最大,为最不利工况,其主要原因在于流固区的范围差值.由于厂房结构沿2、3号机组分界线为横向对称结构,当1、2号机组运行,而3、4号机组不运行时,即3、4号机不存在流固区,此时厂房左半边流固区与右半边流固区的范围差值达到最大,从而使厂房左半边和右半边的对称结构形成了最大范围的不协调振动,当只有3、4号机组运行时,情况亦然.2、3号机组之间为流固区范围差值的突变部位,并且发电机层楼板大面积开洞,因此最大的应力幅值出现在了发电机层楼板的3号机风罩部位附近,其值为5.86 MPa,超出了混凝土的抗拉强度,出现应力集中,但不明显,应力衰减较慢,范围为0.9m,需进行加强处理.

5 结 语

(1)建模考虑了排架柱,轻钢屋面及吊车梁等上部结构与下部结构的连接,并采用了三向耦合地震激励.因此,较真实地模拟了该厂房结构在地震作用下的响应.

(2)在地震作用下的5种工况中,中频区的振动频率相差较大,低频和高频相差较小.由于有水工况下水体作用于厂房,导致结构自振频率较无水工况产生了明显的降低.另外,后4种有水工况由于流固区范围的差异致使各振动频率也不尽相同.不难看出流固耦合对厂房的自振频率的影响是比较明显的,其效应不容忽视.

(3)通过对5种工况的模拟,总结出流固区的范围差值导致了厂房结构的不协调振动是影响该厂房地震响应幅值的主要原因.工况3为最不利工况,局部应力超出了混凝土的抗拉强度,需进行必要的加强处理,以满足结构的应力和抗震要求.此外,在地震发生时,应尽量避免1、2号机或 3、4号机同时发电运行从而导致楼板开洞部位混凝土应力集中区出现拉裂破坏.

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