某电站安装间梁板结构与厚板加肋结构三维静动力对比分析

葛 瑶

（陕西省水利电力勘测设计研究院，陕西 西安 710001）

1 前言

厚板结构在厂房设计中鲜有用到，厂房设计采用梁、板结构较多。虽然厚板结构在布置上有很多优势：结构设计相对简洁，机、电设备的开孔位置及大小调整对楼板布置影响较小，便于施工，对于某些设备布置对空间要求高、而厂房高度尺寸略显紧张的设备室可以增加其有效空间。但是这种布置方式对厂房整体结构受力有何优势，需要进一步通过计算分析来确定。本文考虑到厂房跨度较大，纯厚板结构的板的厚度过厚，因此将厚板结构优化调整为厚板加肋结构。

2 计算方法

采用大型通用有限元软件ANSYS 进行分析研究。其中结构静力分析采用线弹性本构模型，采用整体模型SOLID65 单元进行模拟。单元应力与应变关系的总刚度矩阵表达式为[1-2]：

式中：Nr为加固材料的数目；为加固物的体积率； ［DC］为混凝土的刚度矩阵。

动力分析采用模态分析法，模态分析可以确定结构或机器部件的振动特性（固有频率和振型），固有频率和振型是承受动态何在结构设计中的重要参数。结构用有限单元离散化后的运动方程可表示为[3]：

式中：[M]、[C]、[K]为质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵；{F（t）}为动力荷载；{u}为节点位移。

3 工程案例

某电站厂房属2 级建筑物，主厂房内布置2 台立式混流式水轮发电机组和2 台单级立轴混流式水泵水轮机组—发电电动机组，主机间由4 台机组“一”列式布置，副厂房位于主厂房上游侧，安装间位于主机间一侧，在安装间上游侧布置有供水阀室，阀室内布置2 台DN2000 减压调流阀，并设一台32/5 t 桥式起重机，单独用于阀室内工作（本文计算的是安装间，工程概况着重对安装间的布置及尺寸进行描述）。

安装间是机组安装和检修时摆放、组装和检修主要部件的场地。安装间结构见图1 和图2。

图1 厚板加肋结构平面布置图

图2 梁板结构平面布置图

梁板结构与厚板加肋结构的尺寸见表1。结构物理学参数见表2。

表1 计算结构参数

表2 结构物理力学参数

本文旨在研究两种结构在静力与动力作用下的结构优势，故在计算中静力计算参考《水工建筑物荷载设计规范》（SL 744-2016）中相关要求取楼面活荷载60 kN/m2；动力工况考虑模拟地震力作用，地震烈度为Ⅷ度，场地类别为三类，计算方法为振型分解反应谱法，计算工况见表3。

表3 计算工况与荷载

建立安装间整体结构的三维有限元仿真计算模型，模型的坐标原点取厂横0-010.50 与厂纵0+000.00 交点安装间结构底部处。X 轴为厂纵方向，Y 轴为厂横方向，Z 轴为铅直向。计算模型采用solid 65 六面体块单元。有限元模型见图3，荷载分布见图4。

图3 有限元计算网格模型

图4 荷载分布图

4 结果分析

4.1 静力计算结果分析

梁板结构计算结果见图5～图8。

图5 梁板结构X 向应力云图

图6 梁板结构Y 向应力云图

图7 梁板结构Z 向应力云图

图8 梁板结构总位移云图

厚板加肋结构计算结果见图9～图12。

图9 厚板加肋结构X向应力云图

图10 厚板加肋结构Y向应力云图

图11 厚板加肋结构Z 向应力云图

图12 厚板加肋结构总体位移云图

梁板与厚板结构最大应力分布见表4。

应力计算结果表明，两种结构的受力一致，应力分布基本规律一致，厚板加肋结构整体应力水平较薄板结构减小。总体变形梁板结构2.384 mm，厚板加肋机构1.983 mm，随着计算中结构刚度的增加，总变形减小。

整理两种结构的配筋计算，结果见表5。根据体型，计算两种结构的工程量以及各结构中梁板的配筋面积，见表6。通过表6 可以看出，厚板结构较梁板结构的混凝土量增加4%，受力钢筋配筋面积减少24%。从投资角度考虑，明显厚板加肋结构在保证了结构安全可靠的基础上更优。结构设计一方面要保证结构的安全，也要根据结构的特点采用最合适的结构形式，对于安装间采用厚板结构，不仅与梁板结构的工程量相当，而且对于设计和施工都更便捷。

表5 配筋计算结果表

表6 投资对比表

4.2 地震工况计算结果分析

梁板结构地震工况计算结果见图13，厚板加肋结构地震工况计算结果见图14。

图13 梁板结构地震工况计算结果

图14 厚板加肋结构地震工况计算结果

图15 梁板结构地震工况计算模态图

图16 厚板加肋结构地震工况计算模态图

梁板结构地震工况模态计算结果见图15，厚板加肋结构地震工况模态计算结果见图16。

整理两种结构静力，动力以及静动力叠加三种工况的计算结果，厚板加肋结构的应力水平较梁板结构均减小。地震对安装间下部水机副厂房这样刚度较大的结构，影响不大，开孔周围应力水平受地震影响增大，梁应力较之前略微增大，不影响结构。

配筋计算结果见表7。根据动力计算结果整理了前20 阶频率，见表8，对比曲线见图17。分析可知：两种模型的振型基本一致，厚板加肋结构的振动频率大于梁板结构，结构的整体抗振刚度有一定的提高，厚板加肋结构在防止结构发生共振方面优于梁板结构。

表7 配筋计算结果表

图17 两种结构频率对比曲线

表8 两种结构频率对比表

5 结论

1）静力分析结果表明：两种结构形式的应力分布规律基本一致，梁与板的最大拉应力出现部位基本一致。厚板加肋结构的应力水平较梁板结构应力水平小，配筋面积小于梁板结构。采用厚板加肋结构对结构的安全布置更有利。

2）动力分析结果表明：与静力分析结果相比较，地震对结构整体的应力影响不大，对楼板局部（孔边）薄弱部位有一定的影响，厚板加肋结构在开孔部位出现了较大的拉应力，这个部位考虑布置暗梁可以满足要求。两种模型的振型基本一致，厚板加肋结构的振动频率大于梁板结构，结构的整体抗震刚度有一定的提高。

3）因厂房的振源主要来源于机组的振动频率，与短路、飞逸等工况的振动频率以及流道内的脉动压力有关，此次选择安装间作为计算模型只对静力计算与地震作用有一定的代表性，进行主机间的动力计算分析才是解决厂房振动问题的核心任务。

通过对安装间的梁板结构与厚板加肋结构，两种结构进行对比分析，得出更优的结构形式，厚板加肋结构更适合电站厂房的设计，一方面提高了厂房的安全性能，另一方面节省了工程成本，方便施工，提高空间利用率，对国内类似工程具有参考和借鉴意义。