考虑人体受振因素的水电站厂房振动分析及评价

傅 丹,胡 蕾,伍鹤皋

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉430010；2.长江科学院,湖北武汉430010；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)

考虑人体受振因素的水电站厂房振动分析及评价

傅 丹1,胡 蕾2,伍鹤皋3

(1.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉430010；2.长江科学院,湖北武汉430010；3.武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室,湖北武汉430072)

为明确人体受振评价的基本原则和应用方法,结合两个版本的人体暴露于全身振动的国际标准,阐述了建立主厂房人体受振评价标准的三个关键因素：控制目标、评价方法和具体标准,其中振动控制目标定为舒适层次还是健康层次为构建主厂房人体受振评价标准的根本。在此基础上,结合洪屏水电站执行脉动压力激振下的时程分析,评价楼板结构振动下人体的受振情况。结果表明：发电机层楼板的振动主要由转轮叶片数频率及其倍频的脉动压力成分引起,振动评价时必须考虑频率成分对人体的影响。频率计权均方根加速度作为基本评价指标相对频谱方法具有更好的实用性和普适性。无论振动控制目标选为舒适层次还是健康层次,该电站楼板的振动都能够满足国际标准的要求。

主厂房；振动；人体受振因素；脉动压力；有限单元法；洪屏水电站

水电站主厂房作为将水能转化为电能的场所,其结构将不可避免的存在振动现象。在电站投产之前,设计方、机组厂家和科研单位都非常重视投产之后厂房的振动能否满足要求。对于某些投产之后振动相对显著的电站,采用现场测试明确厂房结构的振动是否超限对于保证电站正常运行、解除工作人员心理负担具有现实意义。文献[1-5]采用数值方法分别对龙头石、锦屏一级、三峡、糯扎渡、宜兴水电站的主厂房结构开展了振动预测和评价。由于SL266—2001《水电站厂房设计规范》仅给出了机墩结构在机组动荷载作用下的振幅控制标准,因此文献[1-5]在振动评价时均补充了厂房各典型部位对应的建议标准,其中各层楼板结构可从建筑结构本身、仪器设备基础以及人体健康3个方面进行振动评价。

对比文献[1-5]所列标准可以发现,各文献所提建筑结构和仪器设备的振动标准基本一致,但人体健康的评价标准不完全一致,差异主要体现在加速度指标,例如竖向加速度标准可从0.25 m/s2增大至0.8 m/s2。文献[4-5]在给出人体健康标准时说明了其对应的振动频率,不同频率对应的评价标准不同。文献[5]还说明了给出的标准适用于连续工作8小时,其他文献未进行相关说明。实际上,各文献所列标准的原始出处均为文献[6],该文献为最早发布的关于人体暴露于全身振动的国际标准,该标准所给出的人体受振评价标准为振动频率f和暴露时间T的函数。因此,文献[1-5]所提出的评价标准应该满足一定的函数关系,但分析发现文献[1-5]所提标准与文献[6]中的函数关系不完全匹配,这说明当前在参考国际标准进行人体健康评价时的原则并不统一,存在个体差异性。

在进行水电站主厂房内人体受振评价时,文献[1-5]将所列标准均称之为“人体健康”的评价标准,即振动超过所提出的标准将给人体健康带来风险。实际上,具体数值为文献[6]中的人体舒适性降低界限,但是舒适与健康的评价具有本质的区别,舒适性标准距离健康标准有相当的距离。在吸收关于人体承受全身振动的最新研究成果后,文献[6]的新版本文献[7]已经发布,该标准在国内与文献[8]等同。无论是在评价方法还是评价标准上,新旧标准都有明显的差异,如何运用新标准指导水电站主厂房的振动评价以及如何对待过去应用已久的评价标准,都是亟需研究的问题。

本文首先对新、旧两个版本的人体暴露于全身振动国际标准进行对比,阐述人体暴露于全身振动的评价方法和参考标准,然后采用有限元法对洪屏水电站开展振动预测,结合振动响应数据对比新、旧国际标准在评价方法和结果上的差异,以期对采用数值方法进行厂房结构振动预测和人体全身振动评价提供有益参考,并为行业内尽早形成统一的振动标准提供一定参考。

1 主厂房人体受振评价标准的探讨

1.1 振动控制目标

在国内,马震岳等[9]最早对水电站厂房内人体承受全身振动问题进行讨论,文献[9]主要参考文献[6]开展,与GB/T 13441—1992和GB/T 13442—1992对应。该国际标准以均方根加速度为基本评价指标,给出了人体对振动反应的三类界限：暴露界限、疲劳-工作效率降低界限以及舒适性降低界限,暴露界限即为健康与安全界限,超过该界限人体健康将受到威胁。文献[1-5]所列标准实际上为舒适性降低界限,将舒适性降低界限乘以6.3才是暴露界限,二者不能混用。

三类界限的提法对水电领域的借鉴意义在于从人体的角度出发,水电站主厂房内部的振动究竟应该控制在何种层次,该问题是水电站主厂房人体受振控制的根本。文献[9]说明中控室等工作场所的振动应该控制在“感觉阈”之内,不能超过“舒适阈”,但未说明主厂房应该控制在何种层次之内。从作业人员的角度出发,主厂房内持续工作的时间短,对于振动的要求是明显低于中控室的,理论上其振动可以超过“舒适阈”,甚至进入“健康阈”。但从另一个角度出发,如果投产后主厂房内的振动导致人体主观感觉不舒适,此时即便振动量级未超过建筑结构和仪器设备的控制标准,其振动水平可能也难以被各方人员所接受,即被认定振动“过大”。因此,建立水电站主厂房人体受振评价标准的第1个关键问题为选定业界认可的控制目标,该目标表达的是行业内对主厂房振动的共性要求,需要多方共同参与,控制目标的确立将避免对主厂房的振动水平依靠主观意识来判断的行为。

1.2 评价方法

水电站主厂房人体振动评价的第2个关键问题为评价方法的统一。ISO2631—1—1985标准中振动评价方法包括基于频谱的方法和频率计权加速度方法两种。当采用基于频谱的方法时,人体的3类界限为振动频率和暴露时间的函数K(f,T),确切的暴露时间和振动频率存在唯一的振动界限,对于单一频率的振动应用起来简单方便,文献[1-5]正是基于这种条件提出的振动标准。如果振动包含多个离散频率,每个频率成分的加速度均方根值应该分别按照该频率的相应界限进行评价。

当采用频率计权加速度方法时,标准给出了人体坐标系下X、Y、Z方向的频率计权曲线,站姿、坐姿以及睡姿均采用相同的计权曲线,将频率计权均方根加速度awx、awy、awz与三类界限中人体最敏感频带范围的界限值(函数K(f,T)的最小值)进行比较。 当两个或三个方向的振动水平接近时,将av与Z方向最敏感频带中的界限值进行比较。

(1)

(2)

(3)

式中,aw(t)是作为时间函数的计权加速度；Wi和ai分别为第i个1/3倍频带的计权因数和均方根加速度；av为计权加速度矢量和；awx、awy、awz为均方根加速度；kx、ky、kz为方向因素。

ISO2631—1—1985并未限定应该采用哪种方法进行振动评价,但ISO2631—1—1997在评价方法上没有保留基于频谱的方法,明确指出人体承受全身振动的基本评价指标为频率计权均方根加速度。对水电站主厂房人体受振评价而言,这一变化相当于统一了评价方法,以往基于频谱方法提出的单一频率的振动标准不再适用于主厂房人体受振评价。实际上,基于频谱的评价方法在水电站主厂房中的实用性和推广性不如频率计权方法,因为与某些单一频率的振动不同,厂房结构的振动往往包含丰富的频率成分,内部振源从尾水管低频蜗带到转轮叶片数频率及其倍频,频率分布可从1 Hz到100 Hz以上。

与频谱方法一同被删去的还有舒适性评价时暴露时间的概念,新标准认为振动舒适性与暴露时间没有必然联系,但健康评价标准与暴露时间直接相关,因为暴露时间与健康的关系是显而易见的,增加暴露持续时间意味着增加了健康风险。

1.3 舒适与健康标准

水电站主厂房人体振动评价的第3个关键问题为具体评价标准的确定。与早期的理念不同,新标准没有直接给出确切的健康界限和舒适性界限,而是以区间的形式给出参考标准。原因在于相同的振动量级可能引起不同个体的不同反应,个人状况和活动类型等诸多因素都有影响,表1为两个版本中健康和舒适性评价标准的汇总。对于水电站主厂房,统一的振动标准的建立首先需要确定控制目标是舒适层次还是健康层次。在确定控制目标后,还需要明确是否根据国际标准来制定国内主厂房专业标准,或者部分借鉴国际标准。国内抽水蓄能电站的实践经验表明[10],当厂房结构的振动满足ISO2631—1—1985的控制标准后,振动能够满足其他一系列结构方面的要求,但文献[10]中并未说明控制目标、暴露时间和振动频率等关键因素如何确定。考虑到1985标准在国内已被长期应用于工程实践,本文仍将其纳入讨论范畴。

表1 健康和舒适评价标准汇总

由表1可知,1985版关于健康的评价标准正好处于1997版的中间位置,二者在健康评价方面具有较好的一致性。主要差异体现在舒适性标准方面,1985版8 h暴露时间对应的标准为0.10 m/s2,该数值与1997版的0.315 m/s2距离较远,但如果主厂房内暴露时间取为2 h,则两个版本的舒适性标准非常接近,理论上主厂房按2 h暴露时间控制相对符合实际情况。文献[11-12]中所列舒适性参考标准与1997版国际标准完全一致,这也佐证了国际标准的认可度。综合考虑后,本文以1997版国际标准作为主要参考,暂且选定0.315 m/s2作为主厂房振动舒适性评价标准,但ISO2631—1终究不是针对水电站主厂房的专门标准,专门标准的建立亟需进一步的理论分析,并结合国内丰富的实践经验和监测资料展开论证。

2 主厂房人体受振评价实例

洪屏抽水蓄能电站安装4台单机容量为300 MW的混流可逆式水泵水轮发动机组,机组额定转速500 r/min,转轮叶片数为9片,活动导叶和固定导叶个数均为22个。取中间一个标准机组段建立有限元模型进行振动分析和人体受振评价,动力计算模型及厂房结构网格分别见图1和图2。模型整体坐标系+X轴水平指向厂房左侧,+Y轴铅直向上,+Z轴水平指向水流向,模型包含3倍厂房跨度范围的围岩,厂房结构紧贴围岩浇筑且在交界面B布置有插筋,因此计算模型中厂房结构与围岩按共节点处理,边界C施加粘弹性人工边界以模拟地基无限域的动力刚度[13]。厂房机墩风罩以及蜗壳外围混凝土采用C30混凝土,静弹性模量30 GPa,泊松比0.167,容重25 kN/m3；其他部分采用C25混凝土,静弹性模量28 GPa,泊松比0.167,容重25 kN/m3；蜗壳、座环、机井里衬以及尾水管里衬采用钢材,静弹性模量210 GPa,泊松比0.3,容重76.87 kN/m3；围岩静弹性模量10 GPa,泊松比0.23,容重27 kN/m3。

图1 地下厂房动力模型

图2 厂房结构和部分围岩网格

水轮机厂家对洪屏水轮机进行了压力脉动试验,分别在最高水头565 m、额定水头540 m和最小水头520 m附近各进行了不同出力条件下的压力脉动测量试验。试验共布置9个测点：蜗壳进口(测点1)、无翼区(测点2、3)、顶盖与转轮上冠之间(测点4)、底环与转轮下环之间(测点5)、尾水锥管(测点6、7)、尾水肘管(测点8、9)。试验采样频率为4 800 Hz,采样时间为10 s。本文选取额定水头下的额定出力工况进行振动分析,参考文献[5]将模型试验的脉动压力数据转换至原型并分区施加于流道内壁上,图3和图4为原型中无翼区和尾水锥管测点脉动压力的频谱特性。由图3、4可知,无翼区测点脉动压力的优势频率为转轮叶片数频率75 Hz及其倍频,其他频率成分含量极低；尾水锥管测点脉动压力优势频率为66 Hz,其次为机组转频8.33 Hz,尾水管中脉动压力幅值远低于无翼区。

图3 无翼区测点频谱

图4 尾水锥管测点频谱

图5和图6分别为发电机层楼面的竖向均方根加速度和三向均方根加速度矢量和,两张图的差异主要表现在楼梯孔边缘,该处竖向均方根加速度为0.1 m/s2,但三个方向的矢量和为0.3 m/s2,说明楼梯孔右侧水平向振动加速度相对显著。除楼梯孔附近外,其他区域的加速度矢量和均与竖向加速度较为接近,说明楼板的振动加速度以竖向分量为主。三向均方根加速度矢量和的最大值出现在楼板的第四象限边缘,达到0.825 m/s2,将该点选为楼板振动的特征点进行人体受振评价。

图5 竖向均方根加速度(单位：m/s2)

图6 三向均方根加速度矢量和(单位：m/s2)

图7 特征点X向加速度时程

图8 特征点X向加速度傅里叶谱

图7、8分别为发电机层楼板特征点3个方向的振动加速度时程和傅里叶频谱,振动时程截取前1 s或1.5 s。由图7、8可知,特征点X向加速度峰值不超过0.2 m/s2,振动优势频率主要有75、150 Hz和225 Hz,分别为转轮叶片数频率及其两倍、三倍频率。特征点Y向加速度峰值为1.588 m/s2,振动优势频率为75 Hz,尾水管内的66 Hz脉动压力成分对该点的Y向加速度有较小的贡献。特征点Z向加速度峰值不超过0.3 m/s2,振动优势频率与X向类似,但150 Hz和225 Hz高频成分的相对含量大于X向。从数据可以看到,本电站发电机层楼板的振动频率与文献[1-5]的研究结果相差较远,以往所提出的“人体健康”评价标准并不能直接应用于该电站。此外,楼板的振动包含多种频率成分,基于频谱的方法提出适用于本电站的直接评价标准也极其不便。为此,表2给出了发电机层楼板特征点的3个方向振动均方根加速度和频率计权均方根加速度,其中频率计权曲线取自ISO2631—1—1997标准,具体计算采用MATLAB程序执行,先求得该点振动加速度的功率谱,再依据式(4)计算频率计权均方根加速度,式(4)与式(2)等效。

(4)

式中,Pi为第i个频带的功率谱密度；wi为第i个1/3频带的计权因素。

文献[7- 8]指出波峰因素超过9时必须采用附加评价方法,由表2可知,特征点三个方向振动加速度的波峰因素均未超过4,说明主厂房楼板的振动相对平稳,采用频率计权均方根加速度进行评价即可。

图9 特征点Y向加速度时程

图10 特征点Y向加速度傅里叶谱

图11 特征点Z向加速度时程

图12 特征点Z向加速度傅里叶谱

表2 特征点的振动评价指标

振动特征点的加速度由竖向分量决定,水平分量占据的比重甚小。不考虑频率计权时,三向均方根加速度矢量和为0.826 0 m/s2,该值超过了人体舒适性评价标准,甚至超过了人体8小时暴露时间对应的健康标准上限。进行频率计权,即考虑不同频率成分对人体的影响程度不同后(高频影响相对较小),频率计权均方根加速度为0.122 6 m/s2,下降幅度给评价结果带来了本质影响。说明直接接采用均方根加速度进行人体受振评价是不合理的,必须进行频率计权。

对比表1所列人体舒适标准可知,0.122 6 m/s2超过了ISO2631/1—1985中8 h的舒适标准0.1 m/s2,但小于2 h对应的舒适标准,可见旧标准中暴露时间的选择对评价结果具有本质的影响。依据前文所述,本文舒适性标准暂定为ISO2631/1—1997标准中的0.315 m/s2,文献[7- 8]还指出人体对振动的感知阀值在0.015 m/s2左右。按照这两个值进行评价,在额定水头额定出力工况,人站立于发电机层楼板之上,将明显感觉到振动,但振动水平不会引起人体的不舒适,对人体健康更加不构成危害。从人体受振的角度出发,该电站无论是将控制目标选为健康层次还是舒适层次,发电机层楼板的振动都能够满足要求。

3 结 语

从人体受振的角度出发评价水电站主厂房结构振动的关键因素包括振动控制目标、评价方法和具体标准。在结合两个版本的ISO2631/1标准进行分析后,明确了当前人体受振评价的权威指标为频率计权均方根加速度,该指标便于统一和推广。

1985版标准中健康评价标准处于1997版健康标准的中间位置,一致性较好。1997版标准在舒适评价时不包含暴露时间的概念,其舒适性标准与1985版中2 h暴露时间对应的标准接近。1997版标准与德国VDI 2057—2002、英国BS 6841—1987在舒适性标准上完全一致,可为水电站主厂房舒适性标准的确定提供一定的参考。

洪屏水电站振动实例的计算和评价表明,楼板的振动主要由转轮叶片数频率及其倍频的脉动压力引起,对人体受振进行评价时进行频率计权是必要的,采用频率计权均方根加速度进行评价具有较好的实用性。该电站发电机层楼板的振动水平不会导致人体主观感觉不舒适,对人体健康不构成危害。

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(责任编辑王 琪)

VibrationAnalysisandEvaluationofHydropowerPowerhouseConsideringHumanBodyFactor

FU Dan1, HU Lei2, WU Hegao3
(1. Changjiang Institute of Survey, Planning, Design and Research, Wuhan 430010, Hubei, China;2. Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, Hubei, China; 3. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, Hubei, China)

In order to illuminate the basic principal and application method, three key factors for developing industry evaluation standard of human body vibration are pointed out in combination of two international standards for vibration evaluation of human body. They are vibration control objective, evaluation method and specific standard. The fundamental issue is that the control objective should be health level or comfort level. On this basis, the vibration analysis of main powerhouse in Hongping Pumped-storage Power Station is performed and the vibration evaluation of human body for generator floor is performed after that. The results indicate that the vibration of generator floor is mainly induced by pulsating pressure with the runner blade number frequency and its multiples. The effect of weighted-frequency must be taken into account and the weighted root-mean-square acceleration should be selected as the basic evaluation variable because of its better practicability than frequency spectrum method. No matter control objective is confirmed as health level or comfort level, the vibration magnitude can meet international standards．

main powerhouse; vibration; human body vibration factor; pressure fluctuation; finite element method; Hongping Pumped-storage Power Station

2016- 08- 29

国家自然科学基金资助项目(51679175)

傅丹(1988—),男,湖南岳阳人,博士,主要从事水电站厂房结构方面的研究：伍鹤皋(通讯作者)．

TV311

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：0559- 9342(2017)06- 0047- 06