桩基数量对燃机基座动力性能影响的对比分析

吴兰英，方伟定，钟金周

（1.杭州华电半山发电有限公司，杭州 310015；2.浙江省电力设计院，杭州 310012）

1 概述

某350 MW天然气热电联产工程采用燃气—蒸汽联合循环热电联产机组，燃机采用GE公司生产的单轴9F级重型燃机。燃机、汽轮机、发电机基础单轴布置，燃机基座上布置的设备主要包括：燃机、汽轮机、发电机、凝汽器、排气管及进气管。汽轮机与发电机座布置在11.00 m运转层，燃机及其附属设备布置在6.45 m中间层。燃机、汽轮机、发电机轴系为同一轴系，基座全长55.82 m。燃机机组的额定频率为50 Hz。燃机基座布置如图1所示。

电厂一期基座由外方设计，设置228根PHC500管桩，桩基间距过密，对桩基施工影响较大，造价也较高。因此考虑在满足沉降的前提下尽量减少桩基数量，使基座既满足动力要求又便于施工，同时也能适当降低造价。为此，需要对燃机基座的动力特性进行深入分析。

在燃机基座能满足厂家给定要求的条件下，优化思路主要从边界条件和结构本身出发，边界条件主要考虑桩基数量及布置，上部结构需要根据激振力和结构的振型来综合考虑。

基座底板厚度在水管坑处为2 m，局部过渡段板厚4 m，其余均为2.8 m。因底板厚度主要根据规程规范及经验来确定，因此不考虑改变。根据美国《大型汽轮发电机基座设计导则》，对较大的机组，底板厚度达2.4～2.7 m，底板的质量至少应等于运转平台板的质量与汽轮机及发电机质量之和；参考德国DIN规范，其底板厚度取机组长度的1/10，即5 585 mm；按国内动规要求，平板式基础的厚度取基础底板长度的1/15～1/20，即3 723.3～2 792.5 mm；按DL 5022-2012《火力发电厂土建结构设计规范技术规程》（简称土规）要求，底板厚度根据地基土的性质而定，在满足基础柱嵌固的前提下，可取基础相邻柱净距的1/5～1/3.5，即2 233～3 190 mm。根据美国导则，建议至少要满足上述准则中的1项（详见美国规范设计导则），否则要进行更详细的分析和设计。根据土规要求，底板厚度需满足柱的嵌固要求，如果底板厚度不够，将会参与振动，当底板厚度减到一定程度时，底板的面外弯曲振动也将参与，这时整个体系的振动会跟柱子的布置及桩位的布置有较大关系，因而优化的工程量很大，必要时需进行物模验证。为简化动力优化影响因素，同时满足进度要求，本次优化将不改变底板厚度，仅考虑桩的数量变化。

为便于比较，1号桩基方案采用满足沉降要求的133根PHC500管桩，可以满足桩基规范桩间距4d（d为管桩直径）要求；2号方案采用一期228根PHC500管桩，桩间距无法满足4d要求，基本上为3d间距；3号方案假设桩顶为刚接，即基座底板与地基固结。

根据厂家动力响应要求，采用通用有限元程序ANSYS对燃机基座建模动力进行分析。

2 建模

2.1 有限元模型单元选取

底板厚度对整体结构而言，其高度比例有限，属于中厚板，采用中厚板SHELL181单元模拟时，不必按实体单元，可以节约计算资源，加快计算速度，其精度也可以满足工程要求。

其余单元模拟均参照美国和德国规范及厂家要求。上部结构采用SHELL43单元进行离散，适合模拟线性、弯曲及中厚度的壳体单元。在结构中，设备与基座的连接支架、底板中心到桩顶的连接采用刚臂梁BEAM4模拟。设备质量对基座的自振特性影响很大，为考虑设备质量，采用MASS21单元模拟。将工程桩简化为弹簧，在其水平和竖向刚度上以3个弹簧单元COMBIN14模拟，即水平x，y方向及竖向z方向。

2.2 材料参数

重力加速度为9 810 mm/s2。混凝土C30，材料参数为：弹性模量30 GPa，柏松比0.2，密度2.5×10-9t/mm3。

图1 燃机基座平面和剖面图

工程桩刚度选取是分析的关键。根据桩基动刚度试验报告，单桩水平动刚度为Kh，Dynamic=1.83×108N/m， 竖向动刚度 Kv，Dynamic=1.95×109N/m。

3 基座动力分析

根据厂家GEK63383B要求，在扰力竖向和水平作用下，基座的振动线速度需满足额定频率50 Hz下小于限值1.5 mm，超20%额定频率即51～60 Hz时小于3.8 mm。首先按照厂家要求从模态分析入手。

3.1 模态分析

模态分析主要用于确定结构或构件的固有振动特性，即结构的固有频率和振型，它们是承受动荷载结构设计的重要参数，也是相应动力分析的重要基础。对于给定的结构系统，其振型与固有频率取决于结构的物理参数，是结构系统所固有的。如果已知结构的固有频率，便可以在设计和改进时使结构的固有频率避开其在使用过程中的外部激振频率。

3个方案的模态分析结果比较见表1。

表1 各方案主要频率比较

3个方案的前三阶振型均相同，第一阶为横向一致振动，第二阶为纵向一致振动，第三阶为平面一阶扭转振动。

从表1中可以看出，随着底部边界条件变化即刚度加大，结构的前三阶自振频率越来越大，从底板边界条件的有限刚度到无限刚度，前三阶的自振频率变化有限，可见上部结构较柔，较多参与振动，不像大块式基础，因而试图通过增加底板边界条件的刚度来改变上部结构的振动响应是不可取的。在燃机的额定频率50 Hz附近和超20%额定转速即60 Hz附近时，上部结构均有此转速附近的振动，图2—4为50 Hz附近的振型云图。从振型序号来看，随着底板边界刚度增加，底板参与振动越来越少，主要表现为上部结构振动。相比柱子的总动刚度，桩的总动刚度大很多，即使是桩数量较少的1号方案，柱子参与的振动也较多，因此底板桩基数量改变难以改变结构上部的自振特性。

图2 1号方案的50.1 Hz振型云图

图3 2号方案的50.2 Hz振型云图

图4 3号方案的49.9 Hz振型云图

3.2 扰力作用下的基座动力响应分析

从以上3种方案的模态分析可以看出，基座上部结构的固有频率无法避开燃机的额定转速，根据厂家要求，需要施加扰力进行动力响应分析。

厂家GEK 63383B要求，3号—8号轴承座处转子所在点的扰力幅值均为53.4 kN。根据德国规范DIN 4024《机器基础：具有旋转零件的机器用柔性支承结构》要求，当不知道扰力相位时，可以假定各轴承上的扰力按同一方向作用，然后再按相反的方向作用进行分析计算。阻尼比根据厂家说明取0.02。

图5—7分别是3个方案各扰力点在水平扰力（扰力同向）作用下的振动线位移幅值和频率曲线（简称幅频曲线）。

图5 1号方案Y向幅频曲线

图6 2号方案Y向幅频曲线

从图中可以看出，3种方案的幅频曲线趋势相近，由于基座柱子与桩基的总动刚度相差较大，桩基的数量即底板边界条件的刚度对振动响应的影响比较有限，只在一定程度上调整了峰值。水平扰力（扰力同向）作用工况下，把振动线位移转换为振动速度，在50 Hz时小于限值1.5 mm/s，超20%额定频率工况即51～60 Hz时小于3.8 mm/s，满足要求。

图7 3号方案Y向幅频曲线

表2为1号方案在额定频率50 Hz工况下各扰力点的竖向振动响应幅值。

表2 1号方案在额定频率50 Hz工况下的竖向振动响应

3个方案的其他工况计算不再一一列出，其动力响应结果均满足要求。

对于1号和2号轴承，虽然厂家没有要求核算强迫振动下的动力响应，但仍然按厂家在其他轴承处施加的扰力来进行验算。

从1号方案的验算结果看，额定工况下，扰力水平横向作用时，1号轴承处的振动幅值最大，最大振动速度为1.48 mm/s，小于厂家限值1.5 mm/s，满足要求。1号轴承水平振动较大，从振型图（图2）可以看出，在50 Hz自振频率时，存在局部振动，可通过调整混凝土支墩厚度及减小轴承中心与支墩几何中心的偏心值或调整此混凝土支墩的扭转刚度等措施来优化。超过20%额定频率即51～60 Hz时，1号、2号轴承处的振动幅值都较大，最大振动速度在2号轴承，为2.47 mm/s，但仍小于厂家限值3.8 mm/s，满足要求。从振型来看，振动较大的主要原因为轴承相对混凝土支墩中心偏心较大，设计优化时，可以调整混凝土支墩的厚度或适当减小偏心来减小超过额定转速工况下的振动幅值。

2号方案和3号方案的情况与1号方案类似，均可通过调整基座上部结构刚度特别是柱子和支墩的刚度（包括它们的布置）来避免振动响应过大问题。

4 结语

（1）通过模态分析，在满足沉降和强度要求且桩的总动刚度比基座上部结构柱子总动刚度大时，燃机基座的底板边界条件即桩的数量对基座上部结构振动影响有限，基座上部结构的固有频率很难通过调整桩的数量来避开机器的额定频率。因此可在满足沉降和强度前提下尽量减少桩的数量，减少施工难度，降低造价。

（2）在对基座施加扰力计算其动力响应的过程中，可根据振型分析来调整局部结构的刚度和布置，以此来调整结构的振动响应，达到动力优化的目的。

（3）本期基座桩基是一期基座桩基的0.58倍，节省桩基成本约60万元。

[1]GB 50040-96动力机器基础设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2]DL 50022-2012火力发电厂土建结构设计技术规定[S].北京：中国计划出版社，2012.

[3]博弈创作室.APDL参数化有限元分析技术及其应用实例[M].北京：中国水利水电出版社，2004.