水电站厂房钢屋架支座型式对结构性能的影响

陈 鹏 蔡 波

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)



水电站厂房钢屋架支座型式对结构性能的影响

陈 鹏 蔡 波

(中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江 杭州 311122)

以桑河二级水电站工程为例，采用ANSYS有限元软件，对固定铰接支座与橡胶支座进行了模拟，分析了不同支座型式对结构自振特性及受力性能的影响，最终得出了一些有意义的结论。

水电站，橡胶支座，固定铰接支座，结构性能

0 引言

目前国内外支座结构型式多样，总的来说主要有三种类型：固定支撑型支座、弹性支撑型支座(橡胶支座等)、活动支撑型支座(滑动摩擦支座、活动球形支座等)。水电站厂房钢屋架支座是连接屋顶钢结构和下部墙柱结构的重要构件，同时钢屋架支座承担着将屋顶荷载传递给支座下部墙柱结构的作用[1]。虽然支座在整个水电站厂房结构实际工程造价中占有的比例较小，但是不同的支座型式由于约束条件的差异会使得屋架对墙柱产生的水平推拉力不尽相同，从而会直接影响墙柱的结构设计，也会在一定程度上影响结构的安全性。

本文根据不同支座的受力特点，采用ANSYS计算软件，建立了有限元计算模型，比较分析了固定铰接支座和橡胶支座不同组合型式的结构性能，为工程设计提供参考。

1 工程概况及有限元模型

桑河二级水电站位于柬埔寨王国上丁省西山区境内的桑河干流上，上游距斯雷坡河(Srepork)汇入桑河口处约1.5 km，下游距赛公河汇入桑河口处约20 km。坝址以上流域集水面积为49 200 km2。电站枢纽主要由左右岸均质土坝、河床泄洪闸坝、河床式发电厂房、混凝土挡水连接坝段和侧墙式接头等建筑物组成，坝顶全长6 539.8 m，其中混凝土坝段长464 m，河床挡水建筑物最大高度59 m，两岸均质土坝最大坝高33.0 m。电站装机容量400 MW，保证出力105.03 MW，年利用小时数4 925 h，多年平均发电量19.70亿kW·h。

本计算以桑河二级水电站厂房中间标准组段为对象。在计算范围内，对主厂房上下游排架柱、副厂房各层楼板、构造柱等均按实际尺寸进行模拟。厂房上部结构包括屋顶钢屋架，屋顶钢屋架按照实际构造和构件尺寸进行模拟。计算模型采用笛卡尔直角坐标系，其X轴为顺河向，指向下游为正；Y轴为铅垂方向，向上为正；Z轴为厂房纵轴线方向。计算中，模型底部施加全约束，其余各面自由。

1.1 固定铰接支座的模拟

固定铰接支座即支座可以约束上部结构的水平方向变位，但是不能约束其转动。ANSYS计算软件中可以采用节点耦合(Couple)来模拟铰接，仅耦合钢屋架和墙柱结构在支座处节点的三个平动自由度(UX，UY，UZ)即为铰接。

1.2 橡胶支座的模拟

橡胶支座的力学模型可以简化为由水平两方向的非线性弹簧、粘滞阻尼器以及竖向的线性弹簧所组成。在ANSYS中竖向采用Combin14单元(线性弹簧)模拟墙柱对钢屋架的弹性支撑作用，在两个水平方向采用Combin40单元(非线性弹簧和阻尼器组合)模拟支座的抗剪变形能力[2，3]。

根据常用带螺栓板式橡胶支座的构造，依据Gent，Lindley提出的橡胶隔震支座竖向刚度计算理论和Haringx提出的橡胶弹性体压缩剪切计算理论[4]，并考虑螺栓对竖向刚度的贡献，可得到：

Kv=(Em×N×Am+Er×Ar)/Tr

(1)

Khd=Gr×Ar/Tr

(2)

式中：Kv——竖向弹簧刚度；

Khd——水平向弹簧刚度；

Em——螺栓弹性模量；

N——支座处螺栓个数；

Am——单个螺栓截面面积；

Er——橡胶抗压弹性模量；

Ar——支座处橡胶面积；

Tr——橡胶厚度；

Gr——橡胶抗剪弹性模量。

这里水平向弹簧刚度计算中仅考虑橡胶的抗剪作用，另外近似取弹簧粘性阻尼Ch=0.1Khd。一般而言，竖向弹簧阻尼相对结构阻尼较小，计算中忽略竖向弹簧的阻尼[5]。

有限元模型见图1，橡胶支座计算模型见图2。

2 计算方案

为了分析钢屋架不同的支座型式对结构设计及性能的影响，拟定以下3种计算方案：1)A方案：钢屋架上下游支座均为铰接支座型式；2)B方案：钢屋架上游支座为铰接支座，下游支座为橡胶支座；3)C方案：钢屋架上下游支座均为橡胶支座型式。

3 不同支座型式对结构自振特性的影响

各方案厂房整体结构振动基频及钢屋架结构振动基频的计算结果如图3所示。从图3可以看出，各方案厂房整体结构振动基频相近，说明钢屋架支座型式的差异对厂房整体结构的自振特性没有显著的影响。

钢屋架振动基频要远高于厂房整体结构振动基频，说明钢屋架基频振动在厂房整体结构基频振动中的振型参与率较小，这是钢屋架支座型式的差异不会导致厂房整体结构自振特性有明显不同的原因。

从图4可知，钢屋架支座型式对其自身的自振特性影响显著。A～C方案的钢屋架结构各阶振动频率逐渐降低，这是因为A～C方案钢屋架的支座型式的差异直接影响钢屋架自身的边界约束条件，A～C方案钢屋架的边界约束逐渐减弱，从而导致其振动频率逐渐降低。

4 不同支座型式对结构受力和变形的影响

4.1 不同支座型式对墙柱受力和变形的影响

为避免其他荷载对计算结果产生影响，本节仅对有限元模型施加钢屋架自身重量、屋面恒载和屋面活载，以分析不同支座型式下钢屋架荷载对墙柱受力和变形的影响。

表1 各方案典型部位变位 mm

从表1和图5可知，A～C方案各典型部位的变位值及柱顶水平推拉力值逐渐减小，C方案的变位值和水平推拉力值是3个方案中最小的，这说明橡胶支座可释放屋架变形对墙柱的推拉作用，能够缓解支座处应力集中现象。另外，钢屋架对柱顶产生的压力不受支座型式的影响。

从图6可知，A～C方案下游侧钢屋架支撑柱柱底轴力基本无变化，而从A方案至C方案钢屋架对柱顶产生的水平推拉力是减小的，故而弯矩和轴力也呈现逐渐减小的趋势。由此可以看出橡胶支座可以降低钢屋架荷载对支撑柱产生的内力，对墙柱受力状态有利。

以上分析仅基于只施加钢屋架荷载的计算结果，而水电站实际运行中，厂房结构承受诸多荷载共同作用，当桥机荷载较大时，钢屋架对墙柱的支撑作用可减弱桥机荷载对墙柱产生的弯曲作用，这时固定铰接支座型式对墙柱的受力和变形更为有利。因此，多荷载共同作用下钢屋架支座型式对墙柱的受力和变形会有怎样的影响要结合实际情况作分析。

4.2 不同支座型式对钢屋架变形的影响

各方案钢屋架最大竖向挠度和最大顺河向位移值如图7所示，从图7可知A～C方案钢屋架最大竖向挠度逐渐增大，这是因为屋架荷载均为竖向荷载，各方案荷载相同，但A～C方案钢屋架支座处的竖向支撑强度逐渐降低，从而导致钢屋架的最大竖向刚度逐渐增大。

钢屋架顺河向位移值主要和钢屋架受到的水平力与钢屋架支座处水平刚度的比值有关，即u∝F/Kh。根据4.1节可知A～C方案钢屋架对柱顶的水平推拉力是逐渐减小的，A方案的钢屋架支座处的水平刚度明显大于B，C方案。从图7可知A～C方案钢屋架的最大顺河向位移值先增大后减小，说明橡胶支座比固定铰接支座的水平刚度下降明显，下降比例大于水平推拉力的下降比例。

通过以上分析可知，钢屋架支座的刚度，特别是橡胶支座的刚度，对钢屋架结构的变形影响较大，实际工程运用中要结合相关材料特性、结构设计等进行相应的计算研究，以分析支座型式的合理性。

5 结语

本文通过应用有限元对水电站厂房固定铰接支座和橡胶支座进行模拟，对比不同支座型式下结构自振特性和结构受力、变形，得到以下结论：

1)水电站厂房不同的钢屋架支座型式对厂房整体结构自振特性没有影响，其主要影响钢屋架自身的自振特性，橡胶支座相比传统铰接支座减弱了钢屋架的边界约束，使其振动基频降低。

2)仅考虑屋架荷载计算表明采用橡胶支座可以有效降低钢屋架对墙柱产生的水平推拉力和柱顶变位值，降低柱底的弯矩和剪力，对墙柱结构的受力和变形有利。

3)采用橡胶支座使得钢屋架支座处竖向支撑刚度降低，钢屋架的最大竖向挠度会增加；钢屋架的顺河向位移和其受到的水平力与支座水平刚度的比值相关。

4)实际工程运用中要统筹考虑厂房结构布置特点、荷载组合情况及相关材料特性等进行相应的计算研究，以综合判断和衡量不同支座型式的优劣和支座布置的合理性。

[1] 庄军生.桥梁支座[M].北京:中国铁道出版社,2000.

[2] 王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京:人民交通出版社,2007.

[3] 邹磊堂.水电站厂房上部结构型式研究[D].大连:大连理工大学,2007.

[4] 何文福,刘文光,杨彦飞,等.厚层橡胶隔震支座基本力学性能试验[J].解放军理工大学学报(自然科学版),2011,12(3):258-263.

[5] 尹学军,王建立,谷朝红,等.汽轮机与凝汽器不同联接方式下的弹簧隔振基础设计[J].武汉大学学报(工学版),2010,43(sup):165-170.

Effects of structure properties considering different steel roof bearing types of hydropower house

Chen Peng Cai Bo

(PowerChinaHuadongEngineeringCorporationLimited,Hangzhou311122,China)

Taking Sanghe Secondary Hydropower Station as the example, the paper adopts the ANSYS, the finite element software, simulates the fixed hinged support and rubber support and analyzes the influence of various support forms on the structural self-vibration features and stressed performance, and concludes some results.

hydropower station, rubber support, fixed hinged support, structural performance

1009-6825(2016)24-0033-03

2016-06-17

陈 鹏(1988- )，男，硕士，工程师

TV731

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