楼板连接形式对水电站厂房结构性能的影响分析

陈 鹏，高 炼，谷金操

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122）

楼板连接形式对水电站厂房结构性能的影响分析

陈 鹏，高 炼，谷金操

（中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州311122）

本文以某水电站地面厂房为例，建立三维有限元模型，研究了楼板搭接的模拟方法，并针对楼板与上下游墙体的不同连接形式，对结构的变形和自振特性进行了研究，另外计算分析了地震作用下的结构响应。结果表明，采用非线性接触方法能够准确地模拟楼板与墙体间的搭接连接形式；楼板采用搭接形式既不利于控制厂房上部结构的变形，也不利于结构的抗振；但是楼板上下游均采用搭接形式，能够有效降低顺河向地震作用下楼板与墙体连接处的应力峰值，对结构强度设计有利。

水电站厂房；楼板连接形式；结构性能；有限元法

水电是我国重要的可再生能源，目前我国水电装机总量近3.0亿kW，居世界第一。随着电站机组尺寸的增大、比转速的提高，其水力稳定性、楼板等薄弱结构振动等问题愈发突出，近年来国内诸多学者对水电站厂房楼板结构的振动进行了相关分析和研究[1-3]。水电站主厂房楼板具有荷载大、孔洞多、结构布置不规则等特点，一般采用整浇方式或者搭接方式与墙体结构连接，整浇的楼板抗振性能好，但是运行使用过程中容易出现温度裂缝[4]，搭接的楼板则正好相反。

为研究水电站厂房楼板与上下游墙体的不同连接形式对厂房结构性能的影响，下面以某水电站厂房为研究对象，采用ANSYS有限元计算软件对不同楼板连接形式下的结构变形和抗震等问题进行计算分析，为工程设计提供相应的参考意见。

1 计算模型与计算条件

1.1 计算模型

计算以某水电站厂房中间标准组段为对象，整体模型以厂房一个中间标准机组段为对象，沿厂房纵轴线方向长度为29 m，上下游方向宽度为52 m，主厂房最大高度62 m。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轴为水平方向，沿厂房纵轴指向左端为正（面向下游），Y轴为铅垂方向，向上为正；Z轴为水平方向，指向下游为正。在计算范围内，对水轮机钢锅壳、座环以及外围混凝土均按实际尺寸进行模拟。计算中，模型底部施加全约束，其余各面自由。

1.2 材料参数

主房结构实体墙、排架柱、梁及下游副厂房各层楼板的混凝土等级为C25，下部蜗壳、尾水管等大体积混凝土等级为C20。各材料参数：C25混凝土，静弹性模量为28.0 GPa，泊松比为0.167，密度为2 500 kg/m3；C20混凝土，静弹性模量为25.5 GPa，泊松比为0.167，密度为2 500 kg/m3；网架钢材，静弹性模量为206 GPa，泊松比为0.23，密度为7 850 kg/m3。

2 楼板搭接的模拟方法探讨

水电站厂房的楼板以搭接形式与墙体连接，即不考虑楼板与墙体之间的水平传力作用，但墙体对楼板有支撑作用，楼板受到的竖向荷载可以传递到墙体。目前诸多有限元计算分析中，对于楼板搭接的处理方法主要有两类：一是数值模型中不考虑楼板；二是数值模型中考虑楼板，但是楼板与墙体之间分离，楼板四周边界节点施加相应的竖向约束。很明显，第一种处理方法中机墩、风罩等结构缺少楼板支撑，相应的受力分析不准确；第二种处理方法楼板四周边界节点的竖向约束强度过大，楼板边界部位变形不真实，会出现应力集中。以上2种处理方法均不能很好地模拟实际情况，计算结果存在一定出入。

楼板以搭接形式与墙体连接，实际受力和变形过程中是一种接触行为，因涉及接触状态的改变而成为一个复杂的非线性问题。目前较为通用的大型数值计算分析软件ANSYS能够很好地、高精度地求解接触问题。本文采用非线性接触分析手段，在楼板与墙体搭接区域建立接触关系，利用ANSYS自带的“Standard”接触行为来模拟楼板的搭接，该接触行为具有可滑动性，并且当接触面法向压力为零时，接触面产生分离。计算中不考虑搭接区域的摩擦作用，摩擦系数取为极小值。

为验证本文采用非线性接触分析方法模拟楼板搭接的准确性，建立以下2种厂房整体结构模型方案（图1）：方案1——发电机层楼板上下游侧与墙体均为搭接，采用非线性接触模拟搭接；方案2——模型中不模拟发电机层楼板。

对2种方案分别施加相同的吊车满载作用力（最大轮压位于上游侧），计算结果显示方案1和方案2的上、下游侧墙柱顺河向变形一致（见图3），说明采用非线性接触有效模拟了搭接方式不传递楼板与墙体之间的水平力。

对方案1的发电机层楼板施加50 kN/m2的楼面活荷载，发电机层楼板面积为403.075 m2，则楼面活荷载合力FL=25.255 MN；根据计算结果提取风罩与楼板连接处节点竖向合力F1=16.098 MN，提取墙体与楼板接触区域节点竖向合力F2= 9.207 MN，两者求和为FJ=F1+F2=25.305 MN；因此FL≈FJ，说明采用非线性接触可以很好地模拟墙体对楼板的竖向支撑作用。

综上所述，采用非线性接触方法能够准确地模拟楼板与墙体间的搭接连接形式，下面分析中搭接模拟均采用非线性接触方法。

3 楼板连接形式对水电站厂房结构性能的影响

3.1 计算方案

图1 厂房混凝土结构顺河向变位等值线图

为比较楼板不同连接形式对厂房结构性能的影响，拟定以下3种计算方案：A方案，发电机层楼板上下游侧与墙体均为固结连接；B方案，发电机层楼板上游侧与墙体固结，下游侧与墙体搭接；C方案，发电机层楼板上下游侧与墙体均为搭接。

3.2 结构变形分析

为避免其他荷载对计算结果产生干扰，本小节对各方案模型仅施加自重、各层楼板荷载及吊车满载运行荷载进行计算，以分析楼板不同连接形式对结构变形的影响。

水电站厂房上部结构的刚度是设计工作中的重点关注方面，SL266-2014《水电站厂房设计规范》[5]中规定按空间图形计算的轨顶高程柱允许位移值为H/2 000，对应该工程即6.65 mm。从表1可以看出，相同荷载作用下，A—C方案各典型部位的最大变位值均未超过规范限值。

A—C方案发电机层楼板对墙体的水平作用是逐渐减弱的，导致A—C方案各典型部位的最大变位值呈现出逐渐增大的趋势。这说明采楼板采用搭接形式不利于控制厂房上部结构的变形。

表1 各方案典型部位最大变位 mm

3.3 自振特性分析

各方案厂房整体结构、发电机层楼板和风罩的振动基频如表2所示，从表2的结果可知：A—C方案各部分的振动基频呈现出逐渐降低的趋势，其中C方案的发电机层楼板和风罩的振动基频相比A与B方案降低明显，而厂房整体结构的振动基频降幅相对较小。

表2数据显示发电机层楼板和风罩结构的振动基频高于厂房整体结构振动基频，发电机层楼板和风罩的结构刚度相对较小，其自身具有较高的振动基频有利于与机组转频、水流低频脉冲等激振频率有较大错开度，但发电机层楼板上下游均为搭接形式明显使得楼板和风罩的振动基频降低，这显然是不利于结构的抗振设计。

上述计算结果说明楼板连接形式对厂房整体结构的基频影响较小，对楼板和风罩结构的基频影响相对较大，楼板采用搭接形式对厂房结构，尤其是楼板和风罩等刚度薄弱部位的抗振是不利的。3.4地震作用分析

参照NB35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[6]，采用振型分解反应谱法对厂房整体结构进行顺河的地震作用计算分析。

表2 各方案结构振动基频 Hz

从图2可以看出，A—C方案柱顶和轨顶最大顺河向位移值呈现增长趋势，但增长幅度不大；从图3可以看出，A—C方案顶部柱脚的最大应力值是逐渐减小的，而发电机层楼板的最大应力值是先增后减的趋势，这是因为B方案发电机层楼板一边固结一边搭接，搭接相对于固结属于弱连接，上下游约束刚度的不对称性易使得连接体结构内力一定程度上出现增大[7]。

从以上计算结果可知，在顺河向地震作用下，楼板采用搭接形式相比固结形式而言，不利于控制厂房上部结构的变形，这与第3节中的结论相一致。但楼板上下游均采用搭接形式可以降低厂房上部结构柱脚和发电机层楼板的应力峰值，C方案的发电机层楼板应力峰值相比A和B方案降低了近45%。

图2 各方案柱顶和轨顶最大顺河向位移

图3 各方案发电机层楼板和顶部柱脚最大应力

4 结论

通过应用有限元对水电站厂房楼板不同连接形式进行计算分析，得到以下结论：

1）采用非线性接触方法既能模拟楼板与墙体之间的无水平传力作用，又可模拟墙体对楼板的竖向支撑作用，因此非线性接触方法能够准确地模拟楼板与墙体间的搭接连接形式。

2）水电站厂房楼板采用搭接形式不仅不利于控制厂房上部结构的变形，而且还会降低楼板、风罩等结构的基础振动频率，不利于结构的抗振。水电站厂房楼板上下游均采用搭接形式，能够有效降低顺河向地震作用下楼板与墙体连接处的应力峰值，对结构强度设计有利。

3）实际水电站厂房结构设计中，楼板搭接形式要慎重使用，必要情况下要进行相关的计算研究。

［1］沈可，张仲卿.水电站厂房楼板振动分析［J］.人民长江，2003，34（1）：52—54.

［2］陈帅，张振华，罗先启，韩勇.水口水电站发电机层楼板振动分析［J］.水电能源科学，2010，28（9）：76—78.

［3］李炎，李莹.岩滩水电站厂房楼板振动的分析［J］.沈阳农业大学学报，2005，36（6）：713—717.

［4］王育军.混凝土现浇楼板裂缝的成因和控制［J］.水利与建筑工程学报，2007，5（3）：102—105.

［5］SL266-2014，水电站厂房设计规范［S］.

［6］NB35047-2015，水电工程水工建筑物抗震设计规范［S］.

［7］代勋.连接方式对双塔连体结构动力特性及地震反应的影响分析［D］.重庆：重庆大学，2009.

TV731

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2016-07-04