水电站地下厂房振动特性与抗振设计分析研究

摘要

水电机组振动是涉及水电站安全稳定运行的重大问题。随着国内众多大型水电站和大容量抽水蓄能电站的建成，机组振动和水力脉动诱发的厂房振动较为强烈。水电站机组及厂房振动不仅对结构有一定的破坏作用，影响电气设备的安全稳定运行，还将产生噪音和恶化厂内工作环境。因此，机组周围混凝土支撑结构的刚度和振动问题是厂房结构动力设计的关键，也越来越受到水电站设计者和运行管理者的高度重视。本文针对以上问题，利用有限元及结构动力学的相关理论，对水电站厂房进行了动力分析，主要内容包括:
　　首先，建立了有限元计算模型。从理论上阐述了适用于不同节点自由度单元连接的MPC法并验证了其计算的准确性;进而对水电站厂房上下游侧与围岩结合的边界约束模拟方法进行研究分析，为水电站厂房的动力分析奠定了基础。
　　其次，对水电站厂房进行抗振设计研究。对多方面的构造措施进行归纳分析，比如厚板结构与板梁结构、立柱尺寸的改变和上下游侧采用实体墙或是立柱结构。从防止共振和控制振动反应量值的角度，提出有利于抗机组振动的结构体系、结构形式和结构尺寸，为厂房结构抗振动优化设计提供了指导性建议。
　　最后，对水电站厂房机墩振幅进行分析。分别采用规范算法、有限元方法以及不同的模型进行机墩振幅计算，对计算结果进行总结分析，提出评价结论，为机墩动力设计提供参考依据。
　　综合以上研究内容，提出水电站厂房抗振设计的有效、可行途径，为大型水电站地下厂房的动力设计提供有益的参考依据。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 国内外水电站厂房动力分析研究现状

1．2．1 厂房结构自振特性

1．2．2 机组荷载振动作用下动力响应

1．3 本文主要内容

2 MPC法在水电站厂房数值模拟中的应用

2．1 理论分析

2．1．1 刚度叠加法

2．1．2 约束方程法

2．1．2 MPC法

2．2 计算模型

2．2．1 计算范围

2．2．2 边界条件

2．2．2 实体模型

2．2．2 板粱模型

2．3 实例分析

2．3．1 静力计算

2．3．2 模态计算

2．3．2 谐响应计算

2．3 本章小结

3 围岩约束的研究

3．1 结构动力计算理论

3．1．1 自振特性分析方法

3．1．2 谐响应分析方法

3．2 围岩约束对模态的影响

3．2．1 厂房整体自振特性

3．2．2 发电机楼板自振特性

3．2．3 电气夹层楼板自振特性

3．2．4 电气夹层立柱自振特性

3．2．5 水轮机层立柱自振特性

3．3 围岩约束对谐响应的影响

3．3．1 谐响应位移

3．3．2 谐响应应力

3．4 本章小结

4 厂房结构抗振设计

4．1 厚板结构与板梁结构

4．1．1 发电机层楼板自振特性

4．1．2 电气夹层楼板自振特性

4．1．3 谐响应分析

4．1．4 构件尺寸敏感性分析

4．2 立柱尺寸的研究

4．2．1 发电机层楼板自振特性

4．2．2 电气夹层楼板自振特性

4．2．3 电气夹层立柱自振特性

4．2．4 水轮机层立柱特性

4．2．5 谐响应的影响

4．3 上下游侧实体墙与立柱的研究

4．3．1 发电机层楼板自振特性分析

4．3．2 电气夹层楼板自振特性分析

4．3．3 上游侧实体墙(柱)自振特性分析

4．3．4 下游侧实体墙(柱)自振特性分析

4．3．5 谐响应分析

4．4 本章小结

5 厂房结构机墩振幅计算

5．1 采用有限元法计算厂房机墩振幅

5．2 采用结构力学法(规范方法)计算机墩振幅

5．2．1 机墩强迫振动频率

5．2．2 机墩垂直自振频率

5．2．3 机墩垂直振幅验算

5．3 有限元法计算厂房机墩振幅的结构模型范围

5．3．1 计算方案

5．3．2 计算结果

5．4 水电站厂房机墩振幅计算结果统计分析

5．5 本章小结

6 结论与展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢