某抽水蓄能电站地下厂房振动特性分析

李直 伍彦熹

【摘要】近年来我国新建的一批大型抽水蓄能电站中，其高水头、高转速的特点导致振动的现象普遍、突出，对厂房结构的振动问题研究显得十分重要。本文以某抽水蓄能电站地下厂房为实例，使用三维有限元方法，解析了厂房整体结构自振特性。

【关键词】蓄能电站；厂房振动

1、工程概述

某抽水蓄能电站总装机容量为600MW，本工程机组在出现强烈振动时，振动部位一般集中在发电机层以下的部位，所以计算重点应为厂房水下部分。机组外围混凝土结构主要由风罩、机墩、蜗壳和尾水管组成。风罩的结构呈圆筒式，发电机层楼板与上机架支撑部位相连接。风罩下接内圆筒外八边形的机墩混凝土结构，机墩的顶部为定子基础板，底部固结于蜗壳的外包混凝土，下机架靠机墩内侧的环形牛腿支撑。金属蜗壳与包围在其周围的混凝土在下游侧与边墙联为一体，并且共同承担部分水压力。

2、动力有限元计算理论

2.1 模态分析

利用模态分析，可以得到结构部件的固有频率和振型，多自由度体系为弹性振动时，以下四种力作用于弹性体系：①外力{F}；②弹性恢复力[K]{u}，[K]为结构的刚度矩阵，{u}为结构位移量；③惯性力[M]{}，[M]为结构质量矩阵，{}为结构加速度向量；④阻尼力[C]{}，[C]为结构阻尼矩阵，{}为结构速度向量。以上四种力达到平衡，得到相应运动方程：

方程（2-4）称为特征方程，解出方程的n个正实根，即自由振动的n阶自振频率。然后再将解回带入公式（2-4）得到相应振型向量{}。

2.2 谐响应分析

谐响应分析通过计算结构的稳态受迫振动来预测结构的持续动力特性，对于一个单自由度体系，在谐振力p（t）=sin的作用下，为力的幅值，为激励频率，则体系强迫谐振的运动微分方程为：

位移响应包含的是两个完全不同的振动成分，给出的是体系固有频率的振荡，是瞬态振动，它取决于初始速度和位移，当零初速度和零初始位移时，瞬态振动也存在；给出的是强迫频率的振荡，是稳态振动，与作用力有关而与初始条件没有关系。

3 自振分析及共振复核

3.1 模型建立

采取大型商业软件Ansys对1#、2#机组段结构进行三维有限元计算，计算范围为：长度方向从厂右0+015.78m～厂左0+034.20m，上下游方向从厂上0+012.07m～厂下0+009.07m，尾水管部分取到廠下0+026.50m，模型高度从发电机层▽2.45m至尾水管层▽-27.0m。计算模型使用笛卡尔直角座标系，原点取为1#机组中心在蜗壳层的投影位置，其中X轴正向是厂房纵轴指向左（面向下游），Y轴正向指向下游，Z轴为铅垂方向，向上为正。计算模型模拟了风罩、机墩、蜗壳及其外围混凝土、各层楼板、边墙柱等结构，模型采用实体单元建模，整体计算模型的总结点个数为275716个，总单元个数为162939个。

3.2 厂房整体自振频率及振型

通过计算得到前20阶厂房结构的自振频率，由于是地下厂房，上、下游测岩对厂房结构的约束作用较大，边界条件考虑为上、下游侧边墙与围岩之间的弹性水平两向约束，围岩单位弹性抗力系数20MPa/cm。

由计算结果可知道，厂房结构基频为13.56Hz，表现为厂房整体沿着一、三象限对角线水平振动，第3阶时发电机层和母线层右侧楼板起振，起振频率为18.23Hz。后续若干阶振型主要表现为楼板振动及带动风罩、立柱等局部构建的振动。说明该部位在厂房结构中刚度较小，主要原因是该处楼板在纵轴线方向上跨度较大。

4、结论

a.对于该抽水蓄能电站，厂房振动问题明显，所以在初设阶段应考虑这一因素，进行合理优化的厂房抗振设计。

b.厂房整体沿一、三象限水平振动，楼板、带动风罩、立柱等有局部自振。发电机转轮的叶片数频率对厂房右侧楼板振动的影响较大。

参考文献：

[1] 马震岳，董毓新.水电站机组及厂房振动的研究与治理[M].中国水利水电出版，2004.10.