汽轮发电机基础的抗震安全性研究

侯瑞航 周占学*,2 李 杨 袁晓聪 于 爽 白 哲

(1.河北建筑工程学院；河北 张家口 075000；2.河北省土木工程诊断、改造与抗灾重点实验室，河北 张家口 075000；3.张家口市建筑设计院有限责任公司，河北 张家口 075000)

1 引 言

在当今社会发展的背景下，人类对建筑物抗震性能的要求日益提高，因此对土木工程行业有着更加严格的要求.在这种大的背景下，发电站中对汽轮发电机基础结构的抗震安全性的研究也更加深入[1-5].本文即以拟动力的试验方法对某1000 MW汽轮发电机基础的工程实例进行研究，本工程处在6度设防，三类场地条件下，此次探究其在6度多遇、6度罕遇以及7度罕遇三种工况下的受力特点及破坏特征，结合试验数据来对此汽轮机基础的抗震安全性做出评价.

2 模型的设计与制作

本模型采用与原结构相同的材料，依据相似原理制作缩尺比为1/10的钢筋混凝土模型，该汽轮机基础的结构形式为钢筋混凝土框架结构，混凝土强度除底板为C30之外，上部结构均采用C40商砼，模型各部分配筋率与原结构保持一致，纵向钢筋采用直径为φ10，HRB400的钢筋，箍筋采用直径为φ8，屈服强度为HRB300的钢筋，根据需要个别部位采用纵向钢筋直径为φ12，箍筋直径为φ6的钢筋，屈服强度上同.模型的平面图、剖面图如图1所示.

为保证钢筋混凝土结构达到强度要求，整个模型分四次浇筑，顺序为：底板、一层平台及以下部分、二层平台及部分剪力墙、顶层梁及剪力墙，图4为浇筑完成后的模型.经立方体抗压强度测试，各次浇筑的混凝土强度均满足规范要求.模型浇筑完毕，按标准养护28天后开始进行抗震性能试验.

该汽机基础上下共分为三层，第一层高980 mm，第二层高1730 mm，总高度为2580 mm，总长为6870 mm，较一般汽机基础为长，一共有6跨，有三个高压缸且中间设置了两道厚度为264 mm的钢筋混凝土剪力墙，有效的增加了该汽机基础的强度和稳定性.

图1 汽机基础平面示意图

图3 汽机基础高压缸、发电机以及中间剪力墙处剖面图

图4 浇筑完成后的模型

3 拟动力试验

3.1 地震波的选取

本次试验采用人工合成地震波，合成地震波时应该充分考虑工程实际所在地区的地震烈度、场地条件以及设计地震分组等.该汽轮机框架支撑结构所在场区的抗震设防烈度为6度，设计基本地震加速度为0.05 g，设计地震分组为第二组，场地类别为三类，阻尼比为0.05；本次拟动力试验采用人工合成6度多遇、6度罕遇以及7度罕遇地震波，此次人工合成地震波的目标反应谱为抗震规范提供的设计反应谱.地震动峰值加速度为：6度多遇地震为2600 mm/s2,6度罕遇地震1840 mm/s2,7度罕遇地震为3200 mm/s2.三种合成地震波的加速度时程如图所示.

6度多遇地震波

6度罕遇地震波

7度罕遇地震波

图5试验中所输入的地震波

3.2 实验加载装置

本次试验的原理示意图如图4所示，主要用到的实验装置有钢筋混凝土结构反力墙、电液伺服作动器、荷载传感器、时事位移计、应变箱和计算机组成，为了测试钢筋节点与混凝土柱、梁的应变，在梁和柱子的交接处贴上数个应变片用以监测钢筋与混凝土在整个实验过程中的应变，应变片的位置布置在柱Z1、Z4、Z7、Z12柱根以及发电机转子端和高压缸端的梁柱节点处，且在实验过程中这些应变片都要接在应变箱上，利用计算机来时事保存其应变数据，用以之后的分析.考虑到该发电机基础模型浇筑时与反力墙的位置关系以及该模型采用拟动力试验的可研究性，最终决定将该基础模型顶部发电机转子端的中间点处设置为液压作动器的作用点，图6为实验原理简图，图7为所用到的电液伺服加载作动器.

图6 拟动力试验原理简图

图7 试验所用电液伺服加载器

3.3 实验过程

(1)首先要确定试验模型的重要参数：阻尼比、质量、初始刚度、时间步长以及加速度峰值等，表一为该试验模型主要参数.

(2)将按相似比调整后的地震加速度输入到设备中，而后将阻尼比、质量以及时间步长输入到设备中.

(3)由计算机计算出某一时刻x的位移值，并通过电液伺服作动器将位移施加到模型上.

(4)施加完某一时刻x的位移后，此时再通过荷载传感器去测得模型此时的恢复力的大小，并反馈给计算机.

(5)由计算机得到的荷载传感器反应回来的恢复力以及上一步加载的位移大小来计算下一时刻即x+1时刻应当施加在模型上的位移值.

(6)不断重复上述的计算和加载过程，直到试验结束.

本次试验共分为三种工况：

工况一：该模型在6度多遇地震下的拟动力试验.

工况二：该模型在6度罕遇地震下的拟动力试验.

工况三：该模型在7度罕遇地震下的拟动力试验.

表1 三种工况下的试验重要参数

4 试验结果分析

4.1 台板的地震响应

实验结束后，得到了台板在地震作用下的加速度、速度以及恢复力响应，如图7所示.根据试验结果所得数据可以看出台板的最大加速度在6度多遇、6度罕遇、7度罕遇三种工况下分别为338 mm/s2、2870 mm/s2、6010 mm/s2.分别是输入地震波最大加速度的1.3、1.35和1.56倍(输入的地震波最大加速度为6度多遇26 mm/s2,6度罕遇184 mm/s2，7度罕遇320 mm/s2)，即动力放大系数为1.3、1.56和1.88，可以看出该汽机基础的减震性能良好，低于普通汽机基础.

4.2 变形性能

通过布置的位移计可测得模型各个部位在实验过程中各时间段的位移值，通过表3可知高压缸侧与低压缸侧的最大位移值，高压缸侧的最大位移值为3.9 mm，低压缸侧的最大位移值为3.0 mm，均出现在7度罕遇的工况下，从表中可以看出无论在哪种工况下低压缸侧的顶板位移都要比同等高度下高压缸侧的顶板位移小一些，这跟模型两侧梁柱构件的疏密有关，说明在低压缸侧设置的三道柱、两层板以及一道短板在维护模型整体稳定性上起到了一定的作用.

图8 各工况下台板的加速度响应

表2 低压缸与高压缸处的最大位移值

表4为该基础不同位置处的最大层间位移角，由表3可知该基础的最大层间位移角出现在高压缸侧二层平台到底板处，在6度多遇、6度罕遇以及7度罕遇三种工况下的数值分别为1/2783、1/1521、1/465，完全满足《建筑抗震设计规范》规定的钢筋混凝土框架结构在地震作用下层间位移角的限值(多遇地震作用下层间位移角限值为[1/550],罕遇地震作用下层间位移角限值为[1/50])[7].

表3 各工况下不同位置的层间位移角

4.3 钢筋应变

本次试验的准备阶段，在模型浇筑之前预先在梁柱节点处的钢筋上贴上了钢筋应变片用以记录试验过程中钢筋的应变，表5为不同梁柱节点处的钢筋应变，从表中数据能够看出钢筋的最大应变出现在7度罕遇地震工况下的Z4柱子的根部，其应变值为1183×10-6，根据《混凝土结构设计规范》可知，钢筋的屈服应变约为2000×10-6，实测钢筋最大应变值远小于钢筋的屈服应变.

表4 各工况下不同位置处的钢筋应变(×10-6)

4.4 裂缝的开展情况

在试验的过程中，随时观察并记录了裂缝的开展情况，模型在6度多遇的地震波下基本没有出现裂缝，说明模型的变形很小，结构没有出现破坏，在6度罕遇的地震波下模型用肉眼几乎看不到裂缝，在施工薄弱部位例如梁柱交接的根部出现了些许非常微小的裂缝，说明此处是结构的受力薄弱区，施工时应当设置加固措施，在7度罕遇地震波下，模型出现了肉眼可查的细微裂缝，大多集中在施工质量较差部位、养护不达标(混凝土表面水泥水化不充分处)以及结构受力薄弱区，但整体来说模型结构出现的裂缝少而细，浅而短，因此可以判断该汽机基础在这三种地震波下，结构基本完好，均处于安全状态.试验完成后基础结构上的裂缝如图9所示.

图9 z1柱根处的裂缝

5 结 论

拟动力试验处于振动台试验以及拟静力试验两种试验方法之间，能够弥补以上两种试验方法的不足，既能对结构输入动态荷载又能随时观察基础结构的破坏过程，并且发电机基础大多都为单自由度体系的简单结构，非常适合进行拟动力试验.

本次拟动力试验的结果表明，该汽轮发电机基础在6度多遇、6度罕遇、以及7度罕遇三种地震力下都表现出了很好的抗震性能.从基础顶层台板的动力放大系数上看该汽轮机基础顶层的动力放大系数较低，处于地震作用下具有较好的减震效果，有利于其上汽轮机保持安全平稳；从该基础结构的层间位移角上分析，可知该基础模型无论从顶层到底部还是从二层平台处到底部的层间位移角值都完全满足规范要求，基础结构处于微形变状态；从基础模型两端及中间部位的柱底处钢筋应变值考虑，该基础模型在三种工况下的柱底的钢筋应变值都远远小于屈服应变，基础模型始终保持在弹性应变范围之内，结构各部分构件都保持完整的承载力；基础结构在实验结束后只在施工薄弱部位出现了微小的裂缝，并不影响基础结构的承载能力；综合以上各种指标可以判定该基础结构在6度多遇、6度罕遇、7度多遇三种地震强度下其承载力未受到明显影响，能够保证其上部汽轮机组的安全运行.