广州抽水蓄能电站A厂地下厂房结构抗振加固方案研究

华丕龙，何涛，苏鹏力

（1.调峰调频发电公司检修试验中心，广东省广州市 511440；2.调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东省广州市 510950）

广州抽水蓄能电站A厂地下厂房结构抗振加固方案研究

华丕龙1，何涛2，苏鹏力2

（1.调峰调频发电公司检修试验中心，广东省广州市 511440；2.调峰调频发电公司广州蓄能水电厂，广东省广州市 510950）

为评价抗振加固方案效果，以有限元软件SAP2000为工具，建立广州抽水蓄能水电厂A厂三维有限元模型。基于该模型，仿真计算了一机一缝加厚楼板方案、施工缝处局部梁柱加固方案，施工缝处局部梁柱加固及上下游边墙填充方案。结果表明一机一缝加厚楼板减振效果最好；施工缝处局部梁柱加固方案能够减轻施工缝处质点振动，但其他部位效果不明显；上下游边墙填充方案对目标点的振动有增大也有减小，减振效果最差。

振动特性；SAP2000；质量参与系数；动力响应

0 引言

广州蓄能水电厂A厂地下厂房由主厂房、安装间和副厂房组成，其中主机间长92.5m、宽21m、高44.54m。主厂房由上到下分为发电机层、中间层、水泵水轮机层、蜗壳层以及底部的管廊道层、集水廊道层等，由尾水管、蜗壳、机墩、风罩与楼板、梁、柱相互联系组合形成复杂的钢筋混凝土框架结构。

主厂房与安装间、副厂房之间，均设置有结构缝，主厂房2、3号机组之间设有一条结构缝。但在施工阶段为满足各台机组先后投产需要，在1号与2号机组之间、3号与4号机组之间的楼板、梁各增设一条施工缝。

水泵水轮机为法国Neyrpic公司制造，转轮研究开发者为瑞士苏尔寿艾雪维斯（SEWZ）公司。转轮由17-4不锈钢整铸，7叶片，额定转速500r/min。

2000年前后，水工人员陆续在A厂主厂房发电机层、中间层、水泵水轮机层的部分混凝土构件上（梁、板）发现裂缝，2007年经过详细勘察，发现梁柱系统普遍存在开裂现象，大多数裂缝宽度在0.1～0.3mm间，梁裂缝主要分布在支点侧，裂缝方向从支点处的45°到梁中部的90°。柱牛腿裂缝主要在钢筋保护层，个别严重的裂缝宽度达5mm。鉴于此，电厂于2008年初对已发现的这些缺陷进行了应急修复。但是为了彻底弄清裂缝产生机理，从源头上治理这个问题，电厂做了大量工作。先后委托广东省水利电力勘测设计研究院进行了静动力复核，加固方案设计，委托广州大学、武汉大学分布进行了厂房振动模态试验及振动响应试验，委托武汉大学和中国水利水电科学研究院进行数值计算和仿真。本文介绍本研究数值方法评价加固方案部分。

1 加固方案

1.1 方案A

方案A拟把A厂的施工缝彻底改造成结构缝，同时把楼板加厚以增加楼板的刚度，即把A厂也改造成一机一缝厚梁板结构。该方案的加固范围如下：

（1）把发电机层、中间层、水轮机层的1、2号施工缝、3、4号施工缝改造成一机一缝；

（2）把发电机层、中间层楼板进行加厚；

（3）楼板加厚增加了梁的荷载，导致部分梁原来配筋不能满足承载力要求，需对发电机层、中间层配筋不足的梁进行加固，提高其承载力。

方案A计算条件及模型（见图1和图2）：

（1）模型中新加梁和新加柱之间模拟为刚接；

（2）新加梁与老柱、新柱和老梁、新梁和老板之间模拟为铰接；

图1 1号机计算模型Fig.1 #1 machine model

图2 2号机计算模型Fig.2 #2 machine model

（3）新加梁、柱混凝土采用C25；

（4）发电机层楼板加厚至450mm，中间层楼板加厚至400mm，楼板混凝土强度等级同老楼板；

（5）为方便建模，2号机组施工缝拐角处并排新加的两根柱只简化模拟为一根；

图3 发电机层梁、柱加固范围及动力响应控制点布置Fig.3 Generator layer，column reinforcement scope and dynamic response control point layout

（6）假定外包混凝土钢柱、梁等效断面积增加0%，3-3截面惯性矩增加0%；

（7）其他条件同原始状况两机一缝模型。

1.2 方案B

方案B主要是对厂房发电机层和中间层施工缝处的梁和柱进行截面刚度增大。

计算条件如下：

（1）发电机层梁、柱加固范围及动力响应控制点布置见图3；

（2）加固后梁断面积增加20%，相对水平轴惯性矩增加1倍，相对垂直轴惯性矩增加20%；

（3）加固后柱断面积增加15%，其他假定不变；

（4）其他条件同厂房原结构两机一缝模型，见图4。

图4 A厂厂房计算模型（左边为1号机，右边为2号机）Fig.4 Station A model on left machine #1 and #2

1.3 方案C

方案C拟对上下游边墙边柱间填充混凝土形成墙体，以增加厂房纵向刚度和稳定性。同时对施工缝附近、大的孔洞周边楼板结构刚度相对不足的部位进行刚度加强。

该方案的加固范围如下：

（1）以保证厂房通风、电缆及运行巡视通道不受影响为原则，在中间层、水泵水轮机层上游侧边柱间增设14片混凝土墙，下游侧边柱间增设5片混凝土墙。

（2）对施工缝附近、大的孔洞周边板梁结构加固范围与方案B同。

计算条件及模型：

（1）上、下游与新加边墙相连的梁柱节点假定为X、Y、Z三方向约束；

（2）其他条件同方案B。

2 模型计算结果

限于篇幅，本文只介绍各方案的在双机稳态运行工况下的动力响应——振动速度，并与厂房原初结构的振动速度作对比，以此评价方案的有效性为评价各方案的减振效果。

2.1 方案A厂房结构动力响应

为评价减振效果，在发电机层和中间层各选取30个动力响应控制点，见图5和图6；计算结果见表1和表2。

2.2 方案B厂房结构动力响应

为评价减振效果，在发电机层和中间层各选取7个动力响应控制点，见图7和图8；计算结果见表3和表4。

2.3 方案C厂房结构动力响应

为评价减振效果，在发电机层和中间层各选取30个动力响应控制点，控制点分布与方案A相同，见图5和图6；计算结果见表5和表6。

图5 发电机层动力响应控制点布置Fig.5 Dynamic response control points of generator level

图6 中间层动力响应控制点布置Fig.6 Dynamic response control points of Middle level

表1 A方案发电机层典型控制点竖向振动速度Tab.1 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme A

3 结论和讨论

3.1 方案自评价

方案A总共60个控制点，模拟实施加固后，较原始状态，有51个点振动速度下降，总有效点为85%，平均降幅达到30.00%，应该说效果明显。

表2 A方案中间层典型控制点竖向振动速度Tab.2 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme A

方案B总共14个控制点，模拟实施加固后，较原始状态，有13个点振动速度下降，总有效点92.8%，平均降幅为13.43%，应该说效果明显。

方案C总共60个控制点，模拟实施加固后，较原始状态，有20个点振动速度下降，40个点的振动速度不降反增。总有效点33.3%，无效点66.7%。没有达到预期效果。

图7 发电机层梁、柱加固范围及动力响应控制点布置Fig.7 Dynamic response control points of generator level

图8 中间层梁、柱加固范围及动力响应控制点布置Fig.8 Dynamic response control points of Middle level

表3 B方案发电机层施工缝附近典型控制点竖向振动速度Tab.3 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme B

表4 B方案中间层施工缝附近典型控制点竖向振动速度Tab.4 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme B

表5 C方案发电机层典型控制点竖向振动速度Tab.5 Vertical vibration speed of control points at generator level of scheme C

3.2 方案对比评价

选取三个方案共有控制点，分别是206、222、10191、10792、10830、140、10226、10237、11404等9个控制点，对比分析其减振效果。取结构原始状态振动速度为1，各控制点相对原始状态的振动速度见表7，对比柱状图见图9。

从图9可以看出，三个方案对比，方案A效果最好，在每一个控制点上都实现了振动速度下降，且降幅明显，方案B次之，基本上都实现了减振的目的，但降低的幅度不大，方案C最差，有一半的控制点加固后反而振动加大了。

表6 C方案中间层典型控制点竖向振动速度Tab.6 Vertical vibration speed of control points at Middle level of scheme C

3.3 讨论

（1）从模型计算结果和厂房实际运行状况来看，在振动荷载的作用下，厂房结构的梁、板、柱等主要承力构件并未出现承载能力极限状态的破坏征兆，由此判断厂房结构目前是安全的。但是，现场观测和模型计算结果均表明局部厂房结构（尤其是施工缝附近的梁）确实存在正常使用极限状态下的混凝土裂缝问题，如果得不到及时、有效的解决，将会对混凝土的耐久性产生不利的影响，并有可能加剧构件的疲劳损伤。

（2）模型计算结果表明，只有方案A对结构具有比较明显的减振效果。但该方案实施难度大，施工干扰大，质量不易保证，很可能会对厂房结构整体性、静力特性和动力特性造成不可逆转的损伤，因此在现阶段不建议采用。

表7 控制点振动速度折算表Tab.7 Vibration speed table of control point

图9 控制点各加固方案效果对比图Fig.9 Effect contrast diagram of reinforcement schemes at control points

（3）方案B对厂房原结构振动特性的影响很小，但能够降低结构缝处梁柱的振动，平均降幅为13.43%，且施工简便易行，建议现阶段采用。

（4）方案C从模型计算效果上看不具有降低振动的效果，在某种程度上说甚者起了反作用。

综上所述，根据广州抽水蓄能电厂A厂厂房的实际状况，建议结构抗振加固应本着先易后难的原则，优先考虑方案B，在最不利的情况下，还可以退一步选择其他方案进行弥补。如果一开始就选择比较根本性的方式，如方案A，一旦出现施工质量问题，将造成结构不可逆转的损坏。

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Vibration Characteristics of the Structure of the Underground Powerhouse of the A plant in GPSPS

HUA Pilong1，HE Tao2，SU Pengli2
（1.CSG Power Generation Company Overhaul and Testing Center，Guangzhou 511440，China；2.CSG Power Generation Company GuangZhou Pumped Storage Power Station，Guangzhou 510950，China）

The 3D finite element model of the A plant is established by using SAP2000，and the vibration characteristics and dynamic response are analyzed.Characteristic analysis indicates that the plant has defects of low order vibration and the forced vibration frequency stagger pier; response analysis shows that in some conditions exist to respond to the problem of excessive，under the combined stresses easily cracking of the structure，but there is no hinder to the safety of the structure.

Vibration characteristics; SAP2000; mass participation coefficient; dynamic response

TV32

A学科代码：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.012

2017-06-05

2017-07-15华丕龙，（1974—），男，硕士研究生，高级工程师，从事水电厂水工管理工作。E-mail：403191577@qq.com