广州抽水蓄能电站A厂厂房结构动力特性试验研究

周艳国，何 涛，何 直，宋一乐

（1.武汉大学振动研究所，湖北省武汉市 430072；2.南方电网调频调峰公司，广东省广州市 510950；3.武汉大学土建学院，湖北省武汉市 430072）

广州抽水蓄能电站A厂厂房结构动力特性试验研究

周艳国1，3，何 涛2，何 直2，宋一乐1，3

（1.武汉大学振动研究所，湖北省武汉市 430072；2.南方电网调频调峰公司，广东省广州市 510950；3.武汉大学土建学院，湖北省武汉市 430072）

抽水蓄能电站地下厂房抗振设计一直都是难点，使得许多地下厂房结构运行数年后出现不同程度的损伤，影响了电站的正常运行。进行结构模态试验研究可以获得厂房结构的动力特性，并指导厂房结构的抗振设计。通过对板梁柱框架厂房结构和厚板厂房结构的现场模态试验，获得了它们的频率和振型，为合理的厂房抗振结构型式提供了科学依据。

厂房抗振设计；厚板结构；模态试验；结构动力特性

1 概述

受科学技术水平的限制以及认识水平的制约，不论在理论上还是在实践中，超大型电站地下厂房的抗振设计是一个难点。我国《水电站厂房设计规范》（SL 266—2001）仅对机组的机墩防“共振”提出一定的限制，而对厂房结构抗振设计提不出更具体的要求。从技术层面上说，地下厂房结构的复杂性使得厂房结构抗振设计规范也没有科学的范本，设计人员无法参照规范或利用合理的理论计算的手段获得理想的抗振结构体系，也没有合理的结构抗振设计允许值，抗振设计的措施仅仅是在静力荷载的基础上增加1.2倍的动力放大系数，因此厂房结构的抗振设计，只能利用有限的或传统的设计方法开展。早期建造的抽水蓄能电站一般采用传统的板梁柱框架结构，随着时间的推移，在水力机组复杂动力荷载的交变作用下，这些厂房结构抗振缺陷逐渐暴露出来，部分构件出现各种裂纹或裂缝，并有继续发展的趋势，给机组正常运行留下安全隐患。意识到传统抗振设计方法中的问题，现代蓄能电站地下厂房抗振设计大多采用厚板结构，即增加地下厂房各层楼板的厚度，从目前运行情况看，厚板结构厂房的抗振能力明显优于普通框架结构。另外，机组的土建结构最佳布置形式也是地下厂房抗振设计中的一个问题，通常采用一机一缝或两机一缝。一机一缝结构厂房的土建结构（包括机墩、框架等）两侧设置20mm的冷缝，单独形成一台机组结构工作体系；两机一缝结构在两台机组两侧设置冷缝，两台机组的土建结构形成一个结构工作体系。两种体系的厂房结构形式哪一种的抗振性能更好，也是业内争论的话题。为了解释上述各种疑虑，利用现场模态试验的方法测试了两种不同类型地下厂房结构形式的动力特性。某电站设有A厂房和B厂房[1]，A、B厂房之间距离仅为200m。A厂房采用了两机一缝布局，结构形式为板、梁、柱框架结构，简称A厂房；B厂房采用一机一缝布局结构，各层楼板改用60cm以上的厚板，简称B厂房。通过现场实测这两种不同形式地下厂房结构的动力特性，获得了它们实际情况下的基本自振频率和对应振型等，以此评价不同结构形式地下厂房的抗振性能，为大型地下厂房结构的抗振设计选型和电站的后期运行管理提供科学依据。

2 提出问题

抽水蓄能电站的特点是高水头、高转速、机组频繁双向启动或关闭运行，这使得蓄能电站厂房结构的振动问题十分突出。然而受传统建筑结构设计思想支配，早期的蓄能电站地下厂房一般都沿用普通厂房结构设计思想，采用以机组机墩为核心的板、梁、柱框架结构形式，其中板的厚度一般取30～40mm。为了机组检修，在每层楼板都布置有机组转轮拆装孔与球阀检修孔，电站A厂房即采用这种结构形式。随着时间的推移，在水电站水力、机械和电磁动力荷载的反复作用下，这类厂房结构已经开始出现疲劳损伤或损坏，特别是在楼板孔口处，厂房的混凝土结构构件出现了不同程度的裂纹或是甚至肉眼可见的裂缝，根据现场检测结果[2]，这些损伤还有发展的趋势[3]，厂房结构的损伤给电站的继续运行留下安全隐患。随着抽水蓄能电站建设的蓬勃发展，厚板结构形式在蓄能电站以及其他水力发电厂广泛使用，B厂房采用的就是这种结构形式，从外表看，B厂房结构布置与A厂房结构基本相同，主要差异是增加了厂房各层楼板的厚度，梁也相应减少或改为暗梁形式，根据目前情况看，B厂房运行至今混凝土结构基本完好，构件没有明显的损伤，显然增加厂房楼板厚度对改善厂房结构的抗振能力有较大帮助[4]。为了比较普通厂房框架结构与厚板结构的抗振性能，同时对损伤厂房结构进行诊断和分析，以及鉴别其损伤程度并进行相应的修复，采用现场模态试验技术测量了两种厂房结构的动力特性，获得了它们前五阶频率和对应的振型特征，利用理论与试验相结合的方法，阐述了厚板结构在蓄能电站厂房抗振设计中的优越性。

3 试验原理与方法

3.1 试验原理

模态试验技术是一种研究建筑结构动力特性的先进方法，是系统识别方法在工程振动领域中的应用。模态是建筑结构的固有振动特性，主要包括结构的固有频率、对应的结构振型、阻尼比等参数。结构固有动力特性取决于结构的质量、结构刚度的分布以及结构的阻尼等物理性能，试验得到的每一个模态参数对应一组固有的自振频率、振型和阻尼比。实际工程应用中一般获得前三阶到前五阶模态参数即可。通过模态分析可以了解厂房结构在易受外界干扰力影响的频率范围内的各阶固有模态特性，从而可以预测在各种扰力振源作用下，结构在此频率范围内产生的实际振动响应，并且判别结构是否会产生“共振”，同时可以寻找或发现建筑结构的抗振薄弱部位，并利用模态试验的结果进行结构动力修改。因此，模态试验是研究结构抗振性能及进行建筑结构故障诊断的重要方法，也是结构抗振设计的基本资料。模态试验的基本原理是，对静止状态下的厂房结构进行人为或利用大地脉动的方式激振，同时测量激振力与建筑结构的响应，对激振力和动力响应同时进行快速傅里叶变换（FFT）分析，得到建筑物任意两点之间的传递函数，从而建立建筑物的模态模型，利用模态分析理论对试验模态模型的传递函数进行曲线拟合，识别出建筑物的固有频率和对应的振型。

3.2 试验方法

（1）采集动态数据及获取频响函数。为了获得厂房整体结构的模态参数，首先必须对建筑物进行激励，蓄能电站地下厂房属于超大型建筑物，一般采用人为激振的方法无法使之起振，利用地脉动对厂房结构进行激振是最佳选择。地脉动能量大，其频谱接近白噪声，频谱范围一般在0.1～100Hz，基本覆盖了厂房结构的主要自振频率，也涵盖了对厂房结构产生不利影响的振源可能频率。地脉动方法中采用的边界条件与结构实际的边界条件完全相同，得到的频率和振型最能符合建筑物的实际情况，但地脉动的强度小，其位移幅值仅从千分之几微米到几微米，采用该方法时对信号采集技术要求很高，对环境的要求也非常高，否则，所采集的信号将无法获得正确的频响函数。为了减少其他因素的干扰，获得较高的信噪比，试验选择在机组停机的夜间进行。试验时选定一个参考点，利用高灵敏度传感器，测试在地脉动作用下厂房结构参考点的动力响应，并同步测量其他各个模态测点的微幅振动响应，对参考点和各响应点同时进行FFT变换，获取厂房结构参考点与各测点之间的频响函数。

（2）模态参数识别采用频域法。对频响函数进行拟合，识别得到厂房结构的固有频率、振型和阻尼比等模态参数。

（3）振型动画参数识别得到结构的模态参数，即厂房结构的固有频率、模态阻尼以及相应各阶模态的振型。由于结构复杂，必须采用动画的方法，将放大了的振型叠加到原始的几何形状上，形成厂房结构动画图形。通过厂房结构振动图形，可以清楚地分辨出厂房结构的各种变形特征，确认结构的薄弱部位。

根据建筑物抗振理论，模态试验按厂房的两个主轴方向进行，即厂房轴线方向（也是机组轴线方向）和厂房上下游方向（即水流方向）。频响函数测试选择加速度频响函数。

模态试验流程框图见图1。

图1 厂房模态试验基本流程图Fig.1 Basic flow chart of plant modal test

4 测点布置

4.1 A厂房模态试验测点布置

A厂房动力特性试验对象选择在按两机一缝形式布置的3、4号机组段进行[6]，3、4号机组段的土建结构属于筒体-框架结构。机墩为筒体，机墩厚度一般在1m以上，厂房结构各楼层的板、梁、柱组成框架结构，靠近机墩附近的板、梁直接搭接在机墩上，厂房框架结构柱受围岩法线方向约束（现场调查厂房结构边柱与围岩的连接具有一定的随机性），底层固定在围岩基础上，厂房结构模态试验网格图主要选择在梁、柱连接点处。模态试验测点布置基本原则如下：①反映厂房结构的整体动力特性；②为了与数值模型计算结果进行对比，试验测点布置与有限元计算模型的节点相对应；③测点布置在厂房结构的板、梁、柱的结点上。

A厂房的结构属于板、梁、柱框架结构，其中板的振动属于结构局部的垂直振动，而模态试验更关注厂房整体结构的动力特性。根据建筑物抗振规范，厂房结构模态试验主要研究厂房整体长轴方向（机组中心连线方向）和短轴方向（上下游方向）的动力特性。根据上述设想，确定A厂房结构模态试验的测点布置。图2和图3分别为A厂房发电机层和中间层模态试验测点布置示意图，中间层与水轮机层模态试验测点与发电机层位置相同。

4.2 B厂房模态试验测点布置

图2 A厂房发电机层模态测点布置图Fig.2 The modal point layout of the generator layer of A workshop

图3 A厂房中间层模态点布置图Fig.3 A layout of the modal point of the middle layer of A workshop

相对A厂房结构，B厂房结构按抗振设计要求进行了较大改进。主要改进点是：① 机组按一机一缝布置；② 厂房结构中各楼层的板厚度从25～30cm增加至50～60cm；③ 厂房的上下游侧设置1m厚的边墙，厂房的边墙分别与上下游围岩紧密锚固。厂房结构的板、梁、柱组成框架结构支承在基础围岩上。厚板厂房（B厂房）结构模态试验测点布置仍然以厂房结构整体为主。由于B厂房结构采用了一机一缝布置方案，因此结构动力特性试验选择一个机组段的厂房结构进行。B厂房结构模态试验选择6号机组段进行。图4和图5分别为B厂房发电机层和中间层模态测点布置示意图，水泵水轮机层测点与发电机层相同，蜗壳层为模态试验固定层。

图4 B厂房发电机层模态测点图Fig.4 B plant generator layer modal point map

图5 B厂房中间层模态测点图Fig.5 B plant middle layer modal test point diagram

5 试验结果

5.1 A厂房模态试验结果

表1为A厂房前五阶模态试验结果以及各阶振动频率和对应振型。

表1 A厂房前五阶模态的固有频率和对应振型Tab.1 The natural frequencies and corresponding modes of the first five modes of A plant

由表1给出的A厂房模态试验结果可以看出：一阶模态为厂房结构整体平动变形，平动方向为厂房轴线方向，对应振动频率（基频）为16.491Hz；二阶模态为发电机层机组球阀检修孔周边的板的垂直振动变形，对应振动频率为20.103Hz，属于厂房结构构件板的局部振动；三阶模态为各层楼板球阀检修孔周边的板的垂直振动变形，对应振动频率22.310Hz，也属于厂房结构元件各楼层板的局部振动；四阶模态为各层机组转轮检修孔周边的板的垂直振动变形，对应振动频率26.389Hz，仍然是厂房结构局部振动；五阶模态为厂房整体结构绕机墩的转动，对应振动频率28.396Hz。模态试验结果表明，A厂房前五阶固有频率在16.491～28.396Hz的范围内。前五阶频率对应振动形态中，一阶和五阶振型为厂房结构整体的变形，二阶、三阶、四阶模态振型为厂房结构检修孔或吊物孔周边的板局部垂直振动。

5.2 B厂房模态试验结果

表2为B厂房前五阶模态试验结果以及各阶振动频率和对应振型。

B厂房模态试验结果表明，B厂房一阶模态为厂房结构整体水平方向平动，对应振动频率为19.88Hz；二阶模态为厂房结构整体绕机墩的转动，对应振动频率23.25Hz；三阶模态为厂房结构整体平动，平动方向为机组水流方向，对应振动频率24.38Hz；四阶模态为厂房整体沿厂房轴线方向错动，对应振动频率27.25Hz；五阶模态为厂房整体结构二阶弯曲振动，振动方向为厂房轴线方向。根据模态试验结果，B厂房前五阶固有频率为19.88～29.25Hz，前五阶频率对应的振型全部为厂房结构整体变形，没有厂房构件的局部振动变形。

表2 B厂房前五阶模态的固有频率和对应振型Tab.2 The natural frequencies and corresponding modes of the first five modes of the plant

5.3 A、B厂房模态试验结果分析

根据A、B厂房模态试验结果，可以获得它们的基本固有频率，评估“共振”的可能性，了解厂房结构的基本振动变形，通过变形分析指出厂房整体结构的薄弱环节，最后对比A、B厂房抗振设计的特点。

（1）根据振源测试结果[6]，厂房结构的振动源主要是水力低频脉动（频率5Hz以下）、机组转频（频率8.33Hz）、转轮叶片与水力干涉（频率58.35Hz），将A、B厂房结构前五阶频率与上述振源频率比较可见，两种厂房结构的主要频率与振源频率的错开度满足《水电站厂房设计规范》（SL 266—2014）[7]大于20%以上的要求，厂房结构前五阶模态频率中没有与振源产生“共振”的频率成分，在30Hz以下的频率范围内，厂房结构满足抗振设计要求。结果分析中没有考虑30Hz以上振源频率对厂房结构的影响，实践中厂房结构的高阶模态频率可能会与振源的高阶频率接近，但根据抗振理论，由于振源是通过大体积混凝土和大体积机墩传递，在传递过程中振源中的高阶频率成分已经被大体积混凝土过滤掉，振源高频成分对厂房结构的影响也会迅速衰减，因此对厂房结构的动力影响也会相应减小。

（2）A、B厂房模态试验结果表明，厂房结构沿厂房轴线方向的变形总是优先发生，这与厂房结构的布置关系密切。在厂房上下游方向A、B厂房都直接与围岩相连，围岩对厂房结构具有显著的约束作用，沿厂房轴线方向机组之间设置伸缩缝，伸缩缝形成了无约束的自由面，使得厂房结构沿轴线方向可以更容易变形。地下厂房抗振设计中一机一缝与两机一缝布置存在较大争议，为了避免机组之间振源的传递而导致的互相干扰，一般建议厂房布置采用一机一缝的布置方式，但是通过A、B厂房模态试验结果，一机一缝和两机一缝产生的结构动力特性的变化并不明显。而且根据结构耗能的概念，采用两机一缝方案也应该具有一定的优越性。

（3）A、B厂房都出现绕机墩转动模态，说明机组机墩的刚度远大于厂房结构的刚度，机墩刚度大有利于缓冲机组运行时产生的各种振源向厂房土建结构的传递，A、B厂房机组机墩的抗振设计是合理的。

（4）A厂房上下游边墙的约束作用与机组机墩的刚度要远远大于厂房板、梁、柱框架结构，使得A厂房2台机组段之间伸缩缝的周边成为厂房结构的薄弱部位，模态试验振型也表明靠近伸缩缝处的框架结构的变形要明显大于边墙和机墩附近的框架，诱发伸缩缝附近混凝土构件产生裂纹。

（5）比较A、B厂房之间动力特性可见，前五阶固有频率对应的振型，A厂房含有2阶整体变形、3阶局部变形，B厂房5阶振型全部为厂房结构整体变形，这是A厂房结构与B厂房结构模态试验的最大差异，产生这种变化的原因无疑是采用厚板的结果。根据A厂房模态试验结果，厂房结构局部变形主要是吊物孔周边板的垂直方向振动，这是吊物孔周边构件裂纹或裂缝明显多于其他部位的重要原因。仔细检查采用厚板结构的B厂房，基本未见混凝土结构有明显的裂纹，这表明厚板厂房的抗振能力优于采用普通板、梁、柱的厂房。根据建筑物振害调查[8]，框架结构的节点是抗振设计的关键点，因为各种不同形式、不同几何尺寸的构件在此交接，极易形成高应力集中区。而采用厚板结构后，除了增加厂房楼板的厚度以外，还可以取消牛腿，直接加强厂房结构的板、梁、柱的连接，使结构的节点也大大强化，改善了建筑物的连接性能，从而提高了厂房结构的整体抗振能力。

（6）采用厚板也可能带来另外的问题。对于普通框架厂房结构，板的厚度一般为30cm左右，板沿法向的尺寸一般远远小于其他两个方向的尺寸，根据板壳理论，板的受力主要为法向平面内的弯曲应力。采用厚板后，由于板的法向尺寸与另外两方向尺寸的比值减小，板有可能出现剪切力增大的现象，因此厚板抗振设计时需要做相应的抗剪调整。

6 结束语

（1）模态试验给出了地下厂房结构的前五阶固有频率和对应振型。结果表明，厂房结构固有频率与振源频率错开度大于20%，厂房结构不会与振源频率形成“共振”。

（2）根据蓄能电站厂房结构布置要求，沿厂房轴线方向设置了伸缩缝，伸缩缝形成厂房结构的自由边界，使得伸缩缝附近的板、梁成为厂房混凝土结构的薄弱部位，因此伸缩缝周边的厂房结构部位的抗振设计应加强。

（3）模态试验结果表明，框架厂房结构前五阶模态中，存在3阶局部变形，主要是各层楼板吊物孔周边的垂直振动，薄板吊物孔是厂房结构抗振性能最薄弱的环节，也是部分厂房损伤的原因。采用厚板之后楼板吊物孔的局部振型基本消除，吊物孔周边混凝土构件的抗振能力明显增加，现场检查厚板厂房结构吊物孔周边未见裂纹或其他损伤。

（4）普通厂房建筑物的节点是各种构件的结合点，也是应力集中点，因此在抗振设计中需要重点考虑。厂房结构采用厚板形式后，可以取消牛腿，并有效地改善节点的受力不均匀性，提高厂房结构的整体性，从而增加建筑物的抗振性能。

[1] 何直.广州抽水蓄能电站地下厂房结构型式对其抗振性能影响研究 [J].水力发电，2014，04（11）：75-78.HE Zhi.The Influence of Underground Plant Structure of Guangzhou Pumped Storage Power Station on its Anti-vibration Performance [J].Hydraulic Power Generation，2014，04 （11）：75-78.

[2] 武汉大学.广州抽水蓄能水电站A厂房结构检测报告[R].2011.Wuhan University.Test report on plant structure of A plant in guangzhou pumped storage hydropower station[R].2011.

[3] 吴娴，马震岳.水电站地下厂房结构楼板结构设计对振动特性的影响规律[J].水利与建筑工程学报，2016，14（3）.WU Xian，MA Zhenyue.The Influencing Laws of Structure Design of Floor Slab in Underground Powerhouse on Its Vibration Characteristics[J].Journal of Water Conservancy and Construction Engineering，2016，14（3）.

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[5] 徐丽，等.广州蓄能水电厂测试报告[R].2010.XU li，et al.Test report of Energy Storage Power Plant in Guangzhou[R].2010.

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[7] SL 266—2014水电站厂房设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2014.SL 266—2014 Power Station Design Specification [S].Beijing ：China Water Conservancy and Hydropower Press，2014.

[8] 徐有邻.汶川地震震害调查及对建筑结构安全的反思[M].中国建筑工业出版社，2009，5.XU Yulin.The Investigation of Earthquake Damage in Wenchuan Earthquake and Reflections on the safety of Architectural Structure[M].China Construction Industry Press，2009，5.

2017-06-05

2017-07-10

周艳国（1976—），男，博士，副教授，主要从事结构数值仿真分析及结构抗震减振的教学与科研工作。Email：zhouyanguowhu@126.com

The Dynamic Characteristics of Pumped-Storage Power Station Underground Powerhouse Structure Research in GPSPS

ZHOU Yanguo1，3，HE Tao2，HE Zhi2，SONG Yile1，3
（1.vibration research institute of wuhan university，wuhan 430072，China; 2.The southern power grid peak shaving FM company，guangzhou 510950，China; 3.Institute of civil engineering of wuhan university，wuhan 430072，China）

The pumped-storage power station underground powerhouse vibration-proof design has always been the difficulty，many underground powerhouse structure to run A few years later appeared different degree of damage，affects the normal operation of the plant.For structural modal experimental research on the dynamic performance of the plant structure can Be obtained，And guide the vibration of powerhouse structure design.Through the plate beam column frame structure And thick plate factory of the structure of the modal test，

their frequency And vibration model，for the reasonable structure of plant resistance to vibration model provides a scientific Basis.

plant vibration-proof design；Thick plate structure；The modal test；Structural dynamic characteristics

TV32

A学科代码：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.008

中央高校基本科研业务自主科研项目（武汉大学 2042016kf1120）。