ANSYS对水电站厂房坝段进行抗震分析

2013-08-07 by:广州Ansys应用推广中心来源:仿真在线

ANSYS对水电站厂房坝段进行抗震分析

我国水能资源大部分分布在西南、西北地区,而我国很多地震区也分布在这里,随着我国水利水电事业的发展,很多水利水电工程难以避开地震带,所以进行抗震分析显得越来越重要。按照传统的设计规范,在地震区修建水利水电工程时,按拟静力法计算地震应力,然而遭受震害的实例表明,这种计算方法所得的应力值一般较小。因此,为了比较切合实际地反映地震应力,需要采用有限元法进行动力计算。另外,河床式厂房坝段由上游挡水边墩墙、流道、下游挡水边墩墙、排沙洞、主厂房上部结构等组成,是由多个孔洞组成的复杂三维孔洞结构。作为挡水建筑物,要承受上、下游水平作用力,使河床式厂房的应力分布较其他形式的厂房更加复杂,而轴流式机组的受力方式有其自身特点。

1、计算原理

将厂房坝段离散为数值模型,按连续介质建立动力平衡方程

式中:[M],[c],[k]分别为质量、阻尼、刚度矩阵;为加速度、速度、位移矢量。采用反应谱方法求解此方程,这种方法先求解无阻尼自由振动的方程,获得厂房坝段的自振频率与振型,通过模态分析与反应谱分析,求得厂房坝段的动力响应。

2、 ANSYS软件简介

ANSYS软件是美国ANSYS公司的产品,是美国机械工程师协会(ASME)、美国核安全局(NQA)等近20种专业技术协会认证的标准分析软件。该软件可广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航空航天、机械制造、能源、汽车交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、日用家电等一般工业及科学研究领域。

ANSYS软件基于MOTIF的图形用户界面,智能化菜单引导、帮助等,为用户提供了强大的实体建模及网格划分工具,直接建模与实体建模相结合,可对各种物理场量进行分析。结构分析中可进行线性、非线性结构静力分析,结构动力分析(包括模态、谐波响应、瞬态动力响应、谱、随机振动等分析),几何、材料、边界和单元非线性分析,断裂力学分析,复合材料分析,疲劳及寿命估算分析等。前、后处理及求解阶段紧密结合,可以进行计算结果的彩色等值线显示、梯度显示、矢量显示、变形显示及各种动画显示等。

3、某工程简介

以某工程为例进行抗震计算分析,某水电站工程以发电为主,并兼顾少量灌溉、供水等综合利用要求。枢纽主要由河床式电站厂房、泄洪闸、右岸均质土坝、泵站及开关站等建筑物组成。该水电站工程厂房坝段由上游挡水墙、进水口、闸门、流道、蜗壳、厂房上部结构、厂房下部结构、下游挡水墙等组成,是由多个孔洞组成的三维孔洞结构,厂房结构如图1所示。

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本电站主要有如下特点:

(1)地基为粘土岩,并夹有透镜体;

(2)发电机层楼板跨度大,荷载大;

(3)水轮机层以下有排砂洞、排水廊道、尾水管等相互交错使下部混凝土大体积结构复杂;(4)厂房跨度大,吊车荷载大。

4、计算模型建立

厂房整体三维有限元计算取一个机组段,厂房上、下游基础均取45m的计算范围,地基深度选取60m的计算范围。整体三维有限元计算网格如图2所示。其中大部分结构用四面体单元模拟,发电机层楼板、副厂房楼板用壳单元模拟,另外,还用到了杆单元和附加质量单元。整体坐标系的坐标原点在机组中心线上高程为1856.25m;X轴与水流方向垂直,指向右岸;Y轴铅直向上;Z轴指向水流上游方向。基础部分约束为:底部为三向约束,上下游面、左右侧面施加相应法向约束。计算时按水库正常蓄水位进行,静荷载包括自重、设备重、内水压力、外水压力、浪压力、泥沙压力,动荷载是设备动载。地震作用时,考虑库水的影响,采用水体附加质量单元进行模拟,按规范规定的标准反应谱进行线弹性有限元振型叠加反应谱分析。

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5、谐响应分析、模态计算和反应谱分析

厂房坝段,对设备动载采用full法进行谐响应分析。

机电设备荷载:

(1)不平衡磁拉力

转子半数磁极短路时单边磁拉力P=2536kN。

(2)制安误差产生的偏心力

上述动荷载沿圆周的作用形式按正弦曲线的形式施加,频率与机组转频相同,额定转速为71.4r/min。机电设备产生的荷载如表1。

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作用于下机架基础上的垂直动荷载(kN) 66800作用于定子基础上的水平动载径向力(kN)92.7作用于定子基础上的扭矩(N•m) 11792 模态计算采用Block Lanczos法,求解前5个阶特征频率(或周期)及相应的5阶模态。软件运行具体过程:①模态计算求解前5阶振型;②模态求解计算完成后进行模态扩展。

反应谱分析在模态计算之后,在模态计算的基础上进行地震反应谱分析。地震设计烈度为7度,水平向设计地震加速度代表值ah=0.10g,竖向设计地震加速度代表值取水平向的2/3,即av=0.067g。设计反应谱按《水工建筑物抗震设计规范DL5073-2000》中4.3.3采用,设计反应谱最大值的代表值βmax=2.25,最小的不应小于最大值的代表值20%,本水电站场地类别为Ⅰ类,相应特征周期Tg=0.20s,当基本自震周期大于1.0s时,特征周期宜延长0.05s。计算时,只考虑水平向的地震。

电站厂房坝段在正常蓄水位时的反应谱分析计算过程中的前5阶振型的频率以及反应谱谱值如表2所示。由计算结果可以看出振型频率分布非常密集。

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软件可根据反应谱表进行反应谱分析,各阶振型的地震作用效应按平方和方根(SRSS)法组合。

6、共振校核

水电站厂房坝段的振动,除建于地震区要承受地震荷载而引起的振动外,还有机电设备的振动。机组振动的原因复杂,影响因素很多。引起机组振动的原因主要有机械和电磁等两个方面。下面对各种振源进行定性和某些定量分析,给出了一些主要激振荷载的频率,并以此作为结构共振校核的依据。将发电厂房内结构的两类10种振源频率归纳成表3。

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《水电站厂房设计规范》(SL266-2001)规定:“机墩自振频率与强迫振动频率之差和自振频率之比值应大于20%~30%以防共振。”即符合下式时,可以避免共振发生

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式中,f自、f激分别为机墩组合结构自振频率和激振荷载频率。

由于厂房结构复杂,刚度分布不均匀,造成结构自振特性非常复杂。由前面计算出的结构自振频率结果可知,厂房结构的自振频率分布很密集,相邻各阶频率之间差别不大。对整体结构进行共振校核时,由前面的分析可知,有相当一部分激振荷载频率与机组达到的转速有关,因此,根据水电站的结构特点选择振源主频与整体结构摸态的前5阶自振频率进行共振校核,见表4。

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由表4可知,厂房坝段与机械原因引起激振(f=3.25Hz)和电气原因引起的激振(f=2.38Hz)可能发生共振。

避免水电站厂房结构自振与外来激振干扰力强迫振动之间产生共振,是一个颇为复杂的问题,它涉及到机电设备的设计制造、安装工艺水平、结构的设计、施工质量以及电厂的运行方式等多方面应达到要求,需要根据可能产生共振的不同激振力,分别采取防止共振的措施。根据上述对水电站厂房结构共振校核中出现的问题,参照国内外一些电站在消除振动方面的经验,对水电站厂房防止共振和避免出现不允许的振动,初步提出以下几点建议:

(1)合理设计机械部分,安装细致到位,日常运行中需做好发电机的动平衡。

(2)注意机组的运行状况,加强机组的运行管理,尽量避免在某些可能产生强烈振动的负荷区运行。

(3)根据厂房的特点,适当改善厂房结构,使得产生共振的可能性进一步降低。

7、应力计算结果

    厂房坝段应力计算结果包括各节点、单元的各类作用效应,可列表显示,也可绘图显示,还可呈梯度、矢量、变形和动画显示等。

    静荷载、动荷载和水平顺水流方向地震作用效应的组合的应力计算结果,主厂房柱子Y向拉应力最大值为9.2MPa,最大压应力为6.5MPa,其它方向应力较小;发电机层楼板为纯板结构,X向最大拉应力为9.8MPa,最大压应力为8.0MPa,Z向最大拉应力为8.3MPa,最大压应力为8.4MPa,由于采用壳单元,所以无Y向应力;蜗壳X向拉应力最大值为2.1MPa,最大压应力为0.8MPa。其它部位的应力都比较小,由计算可知,该厂房坝段的应力分布符合一般规律,满足设计要求。

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