抽水蓄能电站厂房结构动力特性计算研究

何 直，崔 琦，宋一乐

（1.广东蓄能发电有限公司，广东省广州市 510630；2.湖北省建筑科学研究设计院，湖北省武汉市 430071；3.武汉大学土木建筑工程学院，湖北省武汉市 430072）

抽水蓄能电站厂房结构动力特性计算研究

何 直1，崔 琦2，宋一乐3

（1.广东蓄能发电有限公司，广东省广州市 510630；2.湖北省建筑科学研究设计院，湖北省武汉市 430071；3.武汉大学土木建筑工程学院，湖北省武汉市 430072）

由于缺乏现成的设计规范、设计经验不足等因素，抽水蓄能电站厂房结构抗振问题十分突出，给机组的正常运行带来安全隐患。结构的抗振性能与结构的动力特性密切相关，利用有限元计算的方法，以大型蓄能电站地下厂房结构为模型，计算分析了厂房结构的动力特性。给出了不同边界条件下厂房结构的基本模态参数，为厂房结构抗振设计提供参考依据。

地下厂房抗振；结构动力特性；有限元计算

0 引言

抽水蓄能电站具有水头高、功率大、流速慢、机组转速快、水流双向流动、机组频繁双向运行等特征，电站运行特点使得蓄能电站的动力荷载也非常复杂，研究结果表明[1]，蓄能电站主要承受水力、机械、电磁等三类动力荷载作用，这些动荷载有时单独作用，有时互相作用，并且有可能与受力载体互相耦合作用，因此蓄能电站厂房结构实际承载的动力作用比想象的要复杂得多。在我国抽水蓄能电站建设起步较晚[2]，由于缺乏可靠的技术资料与工程经验，蓄能电站的厂房结构抗振设计基本处于总结现有电站的运行经验、发现问题、不断完善的过程，实际运行中的电站厂房振动问题经常可遇，部分早期投入运行的电站已经因振动疲劳开始出现损伤，显然抽水蓄能电站地下厂房结构的抗振设计和振动问题已经十分突出。目前我国的经济GPT稳步增长，促进了平衡电网的蓄能电站的建设步伐，因此提高蓄能电站设计水平、完善地下厂房结构的抗振设计、解决蓄能电站厂房结构振动问题是当今蓄能电站建设急需解决的重点工作。

蓄能电站地下厂房结构动力特性决定厂房结构的抗振性能，固有自振频率和对应振动型态是反映厂房整体结构动力特性的基本参数，计算厂房结构的固有频率可以分析预测厂房结构与振源发生“共振”的可能性，评价厂房结构的刚度大小；计算厂房结构的振动型态可以清晰地看到厂房整体结构及各构件在振源作用下可能产生的基本变形特征，发现结构的局部薄弱部位，有助于厂房结构抗振设计及现有厂房的加固处理。为此以正在运行的蓄能电站为对象，采用有限元计算方法计算分析了厂房结构的动力特性和动力响应，指出了厂房结构抗振设计中的问题与不足，为后续新建蓄能电站提供科学依据。

1 概况

广州抽水蓄能电站分A、B两个厂房，是我国首座高水头、大容量调频调峰抽水蓄能电站，电站总装机容量2400MW。A厂厂房于1994年全面竣工投产，A厂装有4台320MW立轴单级可逆混流式水泵水轮发电机组，机组转轮叶片数为7片，活动导水叶片数为20片，固定导叶数为10片，额定转速500r/min，飞逸转速750r/min。厂房主体结构以机组机墩为核心由钢筋混凝土楼板、梁、柱组成框架结构，主厂房尺寸92.5m×21m×19.84m（长×宽×高），由上到下分为发电机层、中间层、水泵水轮机层、蜗壳层、底部的管廊道层、集水廊道层等混凝土结构。A厂房主机间结构布置为两机一缝，2～3号机组之间设有一条结构缝，因需要在1～2号、3～4号机组之间的楼板、梁又增设一条施工缝。转轮拆卸方式采用下拆方案，为将转轮吊到安装场，需要在水轮机层和发电机层楼板上加大吊物孔尺寸，并在机墩与尾水管处留出廊道。

经多年运行，2009年初在发电机层、中间层、水泵水轮机层施工缝附近楼板、梁、柱牛腿、梁挑耳等处出现较集中的结构裂缝。受广州抽水蓄能水电厂的委托，对裂缝情况进行了实地调查，对相关部位结构进行了静力复核计算，并对裂缝成因进行了初步分析，提出了针对重点部位进行局部加固处理的建议措施。经检测鉴定认为[3]，厂房结构可靠等级评定为二级，可靠性不符合本标准对一级的要求，尚不显著影响整体承载功能和使用功能。根据建议电厂对A厂进行了初步加固处理。由于A厂厂房结构存在先天不足，损伤原因没有完全查清，因此希望通过有限元计算的方式，对A厂现有结构性能进行静力、动力分析研究，以此寻找厂房结构损伤的真正原因，同时评价厂房整体结构的抗振性能，提出全面加固改造的可行性方案。

2 计算模型与计算条件

2.1 计算模型

根据广蓄水电站A厂房结构两机一缝布置形式，取1号与2号两台机组段结构为计算对象。计算范围：厂房几何模型范围为高程198.91～218.75m的1号与2号机组厂房结构，包括蜗壳层、水轮机层、中间层、发电机层的梁、板、柱以及机墩、蜗壳、风罩混凝土。模型长（纵轴线方向）48.460m，宽（上下游方向）21.000m，高19.840m。所有混凝土结构及其孔洞均按实际尺寸进行模拟，包括风罩通风孔、母线出线孔、机墩进人孔、机墩接力器坑、蜗壳进人孔、尾水管进人孔、楼梯孔洞等。由于结构复杂，忽略蜗壳座环的作用。

计算时，采用块体单元模拟边墙、机墩、蜗壳、尾水管等大体积混凝土结构及围岩，块体单元主要类型为六面体单元与四面体单元。六面体单元计算精度高，同样结构采用的单元数和自由度较少，是一种理想的单元。但结构划分六面体处理较难，目前还没有有限元程序做到对任意形状都能划分为六面体单元。四面体单元计算精度低一些，同样结构采用的单元数和自由度较多。但结构划分为四面体对形状要求不高，任意形状都能划分为四面体单元。水电站地下厂房结构体形复杂，孔口众多，无法完全用六面体单元划分网格。计算采用六面体单元与四面体单元混合划分方法，六面体单元采用8结点高精度单元solid185，四面体单元采用退化的solid185单元。模型建立顺序：尾水管层、蜗壳混凝土、水轮机层混凝土、中间层混凝土建模，梁、柱建模，总体划分网格。坐标原点位于高程199.91m 1号机组中心，x轴为厂房主轴方向、y轴为上下游方向、z轴为厂房高度方向。考虑围岩影响时，围岩范围含上游方向35.0m，向下游方向35.0m。

A厂地下厂房计算模型见图1。

图1 A厂地下厂房计算模型Fig.1 The calculation model of underground plant in A factory

2.2 边界条件

厂房底部尾水管以下混凝土与围岩密实相连取固定约束，沿厂房主轴方向因施工缝的影响，取边界条件为两端自由。厂房上下游侧边界条件比较复杂，

2.3 计算资料及基本假设

2.3.1 机组参数

（1）水泵水轮机功率300MW。

（2）水泵水轮机的额定转速500r/min，机组转频8.333Hz；水泵水轮机最大飞逸转速750r/min。

（3）固定导叶数为10，活动导水叶片数为20，转轮叶片数为7。

2.3.2 几何与材料参数

（1）机墩、主机间蜗壳层、水泵水轮机层、中间层的梁、板、柱采用200号混凝土。材料参数为：γ=2.5t/m3，E=2.6E4MPa，μ=0.167。

（2）风罩、主机间发电机层的梁、板采用250号混凝土。材料参数为：γ=2.5t/m3，E=2.85E4MPa，μ=0.167。

（3）钢衬、钢管以及座环材料参数为：γ=7.8t/m3，E=2.1E5MPa，μ=0.3。

2.3.3 围岩参数

表1 计算模型中位移参数Tab.1 Calculation model of displacement parameters

2.4 计算方案

有限元计算采用部分假设后，使计算结果可能不能完全与实际相同，因此设计了不同的计算方案，通过对比不同计算方案的结果，寻找最接近实际条件的计算结果。计算方案主要考虑边界条件、围岩等因素的影响。边界条件主要是考虑厂房上下游边墙与围岩的连接方式，模型1为边墙与围岩直接固定连接，模型2为边墙与围岩法向固定连接。围岩的影响主要是有无围岩之分，无围岩模型厂房直接与围岩连接（a模型），有围岩模型考虑了两倍厂房尺寸的围岩体后建立的计算模型（b模型）。表2为各计算模型基本情况说明。

表2 计算模型说明Tab.2 Calculation model description

3 计算结果

3.1 厂房结构自振特性计算结果

计算了三种方案的固有频率和对应振动型态，并根据工程要求，给出了前三阶计算结果，见表3。

表3 地下厂房前3阶固有频率Tab.3 The natural frequency of the first 3 steps of underground plant

3.2 固有频率特征

（1）边界条件对厂房结构频率的影响。

根据表3计算结果，当上下游边墙与周边固定约束（模型1），前三阶频率范围23.413～27.432Hz；当上下游边墙与周边法向约束（模型2、模型3），前三阶频率范围12.611～24.230Hz；显然，厂房边墙与围岩的边界条件对频率影响很大，周边法向约束的基频仅为固定约束的46.3%。

（2）围岩对厂房结构频率的影响。

比较模型2与模型3的频率计算结果，围岩对厂房结构的固有频率影响很小。但是由于围岩变形模量小于混凝土结构的弹性模量，考虑围岩后各阶模态频率都有一定程度减小，其中基频仅下降0.003%，可见考虑围岩与否对结构频率计算结果影响不大。

3.3 振型特征

（1）边界条件对厂房结构振型的影响。

厂房结构边墙与周边固定约束，低阶模态中没有厂房结构的整体变形，结构的变形主要是局部变形，变形部位主要出现在孔口、楼梯间等部位的楼板，变形分析以楼板垂直振动为主。实际上当采用厂房边墙与围岩固定的边界条件时，模态计算前20阶振型中，厂房结构变形大多是厂房构件的局部振型。厂房结构周边采用法向约束时，前几阶模态变形以厂房结构整体变形为主，变形趋势为厂房整体沿厂房轴向的水平振动，或厂房整体结构沿厂房轴向张拉变形。显然，当厂房结构边墙与围岩法向约束时，厂房结构出现整体变形。

（2）围岩对厂房结构振型的影响。

对比模型2与模型3的振型描述，考虑围岩后前三阶模态变形中厂房结构的整体振型数量增加。显然围岩弹性模量较大使厂房周边的约束作用减小。考虑围岩的计算模型更符合厂房结构的实际振动变形。

3.4 厂房结构抗振分析

根据厂房结构动力特性分析结果，边界条件和围岩对厂房结构的固有频率和对应振型都有一定影响。然而，根据厂房结构动力特性现场试验结果[4]，靠厂房周边法向约束和围岩作用的模型3更符合实际情况。

根据计算研究结果[5]，前十阶模态参数中厂房结构各层楼板的局部垂直振动比例较大，特别是孔口部位，这种情况更突出。从各阶振型动画图可见楼板振动变形尺度最大，并带动楼板周边的梁柱同步变形，可见厂房各层的楼板是厂房结构的薄弱构件。早期蓄能电站地下厂房采用的板梁柱结构中，一般楼板按普通建筑厂房设计，楼板大多采用30cm左右的薄板，这使得厂房结构的抗振弱点更突出。楼板抗振能力较弱是部分电站厂房结构出现裂纹损伤的主要原因之一。

计算结果还表明，前十阶模态参数中没有发现机墩的振动频率和振型。实际上按照SL 266—2014《水电站厂房设计规范》[6]要求，为了避免机组振源对机组本身和厂房结构的不利影响，对厂房机组机墩的刚度有明确规定，机墩刚度必须满足与主要振源频率错开度在30%以上。由于水电站厂房的主振源大多为水力或机械低频振源，因此机墩的刚度必须足够大，厂房结构动力特性计算结果说明机墩结构与厂房其他混凝土构件的刚度差异是非常明显的，机墩的刚度远大于楼板、柱和梁构件的刚度。理想的抗振体系要求建筑物具有刚度均匀性，因此注重机墩刚度而忽略其他构件的刚度也会产生负面影响，因为当厂房整体结构产生振动时，振动能量一般通过节点和刚度较小的构件消耗，机墩与其他构件的刚度比过大不利于结构整体抗振。因此在不影响其他工艺要求的前提下，尽量使厂房结构各构件之间的刚度均匀是抗振设计的所注重的。

根据计算结果，厂房结构的基频为12.611Hz，而机组转动频率为8.33Hz，厂房结构的基频与机组转频相对比较接近，显然基频较低刚度不足是厂房结构抗振的缺陷。从模型1计算结果，厂房结构边墙与围岩固定连接后，厂房结构的基频提高到23.563Hz，增加了86%，可见改变厂房结构与围岩的连接方式对增加厂房结构刚度的作用是显著的。实际情况厂房与上下游围岩的连接不可能完全固定，但是从设计与施工方面出发，应设法使厂房边墙与围岩紧密结合是提高厂房结构抗振能力的有效手段。

4 结束语

（1）有限元计算是计算厂房结构动力特性的有效手段，但是受计算条件假设的影响，计算结果可能会与实际情况有一定差异，因此应该与现场实测结果相结合进行修正。

（2）采用不同边界条件，厂房结构动力特性会有较大差异。厂房边墙与围岩法向约束时，厂房结构固有频率在12.6Hz以上，低阶振型以厂房整体结构变形为主；厂房边墙与围岩固定连接，厂房结构固有频率在23.413Hz以上，振型以楼板孔口部位的局部振动为主。

（3）根据有限元计算动画图结果，厂房结构各楼层楼板是厂房整体结构中的薄弱环节。厂房结构起主要作用的低阶模态振型中，楼板垂直方向振动变形明显，也是厂房结构最容易发生损伤的部位。提高板的厚度、加强楼板与机墩和梁的连接是强化蓄能电站地下厂房结构抗振能力的有效措施。

（4）机组机墩与厂房其他混凝土结构构件刚度差较大。根据结构抗振理论，理想的抗振建筑物刚度不宜突变，而应该保持刚度的均匀性。因此进行蓄能电站地下厂房抗振设计时，除了应确保机墩具有足够的刚度外，还应该注重其他构件刚度的过渡。

（5）加强厂房结构边墙与围岩的连接是提高厂房整体结构刚度的有效方法，因此在厂房结构抗振设计和厂房结构边墙施工过程中，应该采用有效的方法，确保厂房结构与围岩紧密连接。

[1] 马震岳，董毓新.水电站机组及厂房振动的研究与治理[M].北京：中国水利水电出版社，2004.MA Zhenyue，DONG Yuxin.Vibration and its Corrective Aetions of Water Turbine Generator Set and Dover House[M].Beijing ：China Water Conservancy and Hydropower Press，2004.

[2] 马震岳，张运良，陈婧等.水电站厂房和机组耦合动力学理论及应用[M].北京：中国水利水电出版社，2013.MA Zhenyue，ZHANG Yunliang，CHEN Jing et al.Theory and Application of Coupling Dynamics of Hydropower Station and Unit[M].Beijing ： China Water Conservancy and Hydropower Press，2013.

[3] 广州仲恒房屋安全鉴定公司.《房屋安全鉴定报告》[R].广州：仲恒房鉴字（2008）第MD028号.Guangzhou Zhongheng House Safety Appraisal Company.Housing Safety Appraisal Report[R].Guangzhou ： Zhongheng Fang （2008） MD028.

[4] 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.

[5] 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.

[6] 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 Hydropower Station Design Standard[S].Beijing ：China Water Conservancy And Hydropower Press，2014.

2017-06-03

2017-07-19

何 直（1983—），男，中级工程师，主要研究方向：抽水蓄能电站水工建筑运行维护管理等。E-mail：330406858@qq.com

Structural Dynamic Characteristics Calculation Research of Pumped Storage Power Plant in GPSPS

HE Zhi1，CUI Qi2，SONG Yile3
（1.Guangdong pumped storage power generation co.，Ltd.，guangzhou 510630，China；2.Research and design institute of building science，wuhan 430071，China;3.Institute of civil engineering of wuhan university，wuhan 430072，China）

because of the lack of a ready-made design specifications，design factors such as inadequate experience，pumped storage power station factory building structure vibration problem is very outstanding，brings to the normal operation of the unit safety hidden trouble.Structure vibration resistance is closely related to the dynamic characteristics of structure，using the method of finite element calculation model for large pumped storage power station underground powerhouse structure，the calculation analysis of the structure dynamic characteristics.Factory building structure under different boundary conditions are given the basic modal parameters，provide a reference basis for factory building structure seismic design.

underground powerhouse vibration; The dynamic characteristics of structure; The finite element calculation

TV32

A学科代码：570.25

10.3969/j.issn.2096-093X.2017.04.013