杨房沟水电站地下厂房风罩及机墩混凝土结构动静力受力特性分析

张立新

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州，311122）

1 概述

杨房沟水电站位于四川省凉山州木里县境内的雅砻江流域中游河段上，是雅砻江中游河段梯级开发的骨干电站之一。杨房沟水电站工程的开发任务为发电，电站总装机容量1 500 MW，安装4台375 MW的混流式水轮发电机组[1]。输水发电系统布置在河道左岸山体内，地下厂房采用首部开发方式。

水电站厂房下部结构是承受机组动荷载的主体结构，结构体系复杂，设备开孔众多，要求结构体系具有足够的整体刚度来承受机组的振动荷载[2]。采用有限单元法分析风罩与机墩结构在不同工况下的内力，利用计算所得的内力，根据规范推荐的有限元应力图形配筋方法计算结构的配筋面积，为风罩与机墩结构最终的配筋参数提拱依据。研究机组振动荷载作用下风罩及机墩的自振特性，进行共振校核及结构动力分析，分析结果可为同类型工程设计提供有效的参考。

2 计算模型

以杨房沟地下厂房中间标准机组段为分析对象，模型沿厂房纵轴线方向的长度为33.00 m，宽度为28.00 m，高度上从尾水管底板高程至发电机层高程，总高度为45.07 m。机组段之间设有永久分缝，因此模型两侧混凝土边界按自由面考虑。计算模型中，围岩上游侧边界与底部边界施加全约束。风罩、机墩混凝土结构和整体模型网格如图1所示。

图1 有限元模型网格Fig.1 Mesh of finite element model

3 计算参数及荷载

3.1 材料特征参数

杨房沟水电站地下厂房结构在水轮机层以下采用C25混凝土，在水轮机层以上采用C30混凝土。钢筋采用HRB400。计算中围岩按照Ⅲ1类考虑，容重γ=26 kN/m3，弹性模量Er=16 GPa，泊松比μ=0.22，单位弹性抗力系数k0=50 MPa/m。

3.2 荷载

根据厂家资料，发电机单个基础受力见表1。

表1 发电机基础荷载Table 1 Generator foundation load

发电机层楼面荷载取50 kN/m2，中间层楼面荷载取30 kN/m2，水轮机层楼面荷载取55 kN/m2。

根据厂家提供的资料，发电机空冷器的出口温度为40℃，机墩、风罩内外温差取25℃。

4 计算方案

根据NB/35011-2016《水电站厂房设计规范》[3]，风罩、机墩结构计算方案和荷载组合详见表2～3。

表2 风罩计算方案及作用组合Table 2 Calculation schemes and combination of conditions for the hood

表3 机墩计算方案及作用组合Table 3 Calculation schemes and combination of conditions for the turbine pier

5 计算结果分析

5.1 风罩、机墩混凝土结构应力及配筋

根据计算结果，整理了风罩和机墩各断面的环向应力和铅直向应力，各断面位置如图2所示，温度作用与静力荷载作用组合后的应力分布如图3所示。

图2 风罩、机墩应力断面示意图Fig.2 Schematic diagram of stress on the section of hood and turbine pier

图3 温度作用与静力荷载作用组合后的应力分布（单位：MPa）Fig.3 Stress distribution after combination of temperature effect and static load(unit:MPa)

由应力图可以看出，各工况机墩铅直向应力基本以压应力为主，环向以受拉为主。定子基础及下机架基础直接承受较大的发电机基础荷载，故环向拉应力较大的区域主要集中在定子基础及下机架基础。正常运行工况下，风罩、机墩混凝土结构的整体拉应力水平较低，绝大部分区域均小于混凝土抗拉强度；半数磁极短路工况下，风罩、机墩混凝土结构的最大环向拉应力出现在下机架基础附近，最大铅直向应力出现在定子基础附近。

在此基础上，根据风罩和机墩各断面的应力结果，针对承载能力极限状态计算各典型断面的环向拉应力合力，依据DL/T 5057-2009《水工混凝土结构设计规范》中的拉应力图形法进行配筋。计算结果显示，承载能力极限状态下，风罩结构环向配筋面积的最大值为5 197 mm2/m，铅直向配筋面积的最大值为2 088 mm2/m；定子基础环向配筋面积的最大值为12 357 mm2/m，铅直向配筋面积的最大值为2 488 mm2/m；下机架基础环向配筋面积的最大值为11 499 mm2/m，铅直向配筋面积的最大值为907 mm2/m。

根据规范要求，风罩和机墩混凝土还需要在正常使用极限状态下满足限裂要求。在此采用限制受拉钢筋应力的方式进行混凝土限裂计算。计算结果表明，与承载能力极限状态相比，风罩和机墩混凝土满足裂缝限值要求所需的配筋面积在某些部位更大，正常使用极限状态下，风罩结构环向配筋面积的最大值为6 426 mm2/m，铅直向配筋面积的最大值为2 602 mm2/m；定子基础环向配筋面积的最大值为5 754 mm2/m，铅直向配筋面积的最大值为3 140 mm2/m；下机架基础环向配筋面积的最大值为6 489mm2/m，铅直向配筋面积的最大值为1 079 mm2/m。

5.2 风罩、机墩结构自振特性研究和共振校核

风罩、机墩是承受机组动荷载的主体结构，根据NB/35011-2016《水电站厂房设计规范》，需要对引起结构振动的振源及其频率进行分析，并与风罩、机墩结构的自振频率进行共振校核，为减小和避免共振的发生提供理论依据。

基于杨房沟水电站地下厂房结构有限元模型，采用“无质量地基”[4-5]方法分别对风罩和机墩结构的自振频率进行计算。通过分析，风罩与机墩结构振动形式主要表现为扭转挤压振动。由于风罩结构较薄，风罩结构呈现出不同形式的径向挤压变形。而机墩的振动形式主要表现为沿纵轴线方向的振动、扭转挤压振动及下机架基础板附近的振动。

杨房沟水电站机组的额定转速为107.14 r/min，对应额定转频1.786 Hz；最大飞逸转速为215 r/min，对应飞逸转频为3.583 Hz。同时，根据厂家提供的可能对风罩、机墩造成影响的激励频率资料，按照《水电站厂房设计规范》中有关结构共振校核的规定，对风罩与机墩结构是否发生共振进行校核。计算结果显示，风罩与机墩结构的各阶自振频率与机组的额定转频、飞逸转频均相差较多，基本不存在发生共振的可能。

同时，根据动力计算结果，机墩结构的动力系数较小，未超过建议值1.5，设计是安全的。

5.3 机墩振幅验算

图4给出了正常运行工况与机组飞逸工况下，风罩与机墩结构在机组振动荷载作用下的铅直向与水平向振幅分布，可以看出：正常运行工况下，机组振动荷载产生的强迫振动铅直向最大振幅为0.132 mm，水平向最大振幅为0.034 mm；机组飞逸工况下，机组振动荷载产生的强迫振动铅直向最大振幅为0.126 mm，水平向最大振幅为0.032 mm。最大振幅均位于下机架基础板附近。机墩结构各部位的铅直向振幅与水平向振幅均未超过限值，满足规范要求。

图4 风罩与机墩结构在机组振动荷载作用下的振幅分布（单位：mm）Fig.4 Amplitude distribution of hood and turbine pier under unit vibration load（unit:mm）

6 结语

根据杨房沟水电站的实际工程情况，建立了地下厂房整体结构的三维有限元模型，对风罩与机墩混凝土结构进行了动静力计算、分析及受力特性研究，得到以下结论：

（1）在温度与静力荷载的组合作用下，风罩、机墩混凝土结构在环向与铅直向均表现为内侧受压、外侧受拉，定子基础及下机架基础直接承受较大的发电机基础荷载，故环向拉应力较大的区域主要集中在定子基础及下机架基础。与正常运行工况相比，半数磁极短路工况下风罩、机墩混凝土结构的应力水平相对较高。

（2）风罩与机墩结构的自振频率与机组额定转频、飞逸转频、各种激励频率均有足够的错开度，发生共振的可能性较小。

（3）正常运行工况与机组飞逸工况下，机墩强迫振动的垂直振幅在标准组合时不大于0.15 mm，水平横向与扭转振幅之和在标准组合时不大于0.20 mm，满足规范要求。