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水电站厂房结构动力反应控制标准的研究

2024-09-19 57 上传者：管理员

摘要：针对水电站厂房圆筒式机墩采用结构力学方法，从共振复核和振幅方面明确了振动控制标准，但规范未明确非圆筒式机墩结构和采用有限元方法计算的厂房结构振动控制标准。围绕水电站厂房振动控制评价对象、评价指标和振动限值三个方面，对已有建筑结构振动控制标准分类总结，从结构功用和特点的角度对水电站厂房结构进行了分类，拟定了评价指标，在国内外振动控制标准限值的对比研究和对15个正常运行的水电站厂房振动数值分析成果的基础上，提出了内源动荷载(水力、机械和电磁)作用下水电站厂房结构动力反应控制标准。

关键词：
加速度
动力反应
振动速度
振幅
控制标准
水电站厂房
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厂房是水电站的重要建筑物，承担着将水能转换为电能的任务。水电站厂房属于动力厂房，由于结构和功能的需要，运行过程中不可避免地会发生振动[1],其动力安全评价与振动控制是电站安全高效运行的重要控制要素之一。

NB 35011—2016《水电站厂房设计规范》从机墩结构自振频率错开度(20%以上)以防止共振和机墩结构动力反应(振幅)两个方面对水电站厂房圆筒式机墩结构振动控制标准进行了规定，规范附录D给出了圆筒式机墩结构自振频率和振幅的计算公式[2]。同时，规范规定框架式和墙板式等其余类型机墩的动力计算应符合GB 50040—2020《动力机器基础设计标准》的规定，1级和2级水电站厂房宜采用有限元方法进行结构动力分析。

NB 35011—2016《水电站厂房设计规范》有关厂房结构振动控制标准的规定在执行过程遇到2个问题：

(1)振动控制标准仅针对圆筒式机墩结构，实际上，除了直接承受机组动荷载的机墩结构，楼板(厂房振动的薄弱环节、布置有电气设备、运行人员的工作场所)和蜗壳尾水管(直接承受水力脉动压力作用)等结构的振动响应是否满足要求也是设计关注的重点。

(2)规范对机墩结构的振幅计算是把机墩作为动力机器的基础，采用解析法(结构力学方法)进行振动复核。实际上，采用有限元方法对水电站厂房进行整体结构动力计算分析已非常普遍，规范也明确规定1级、2级水电站厂房宜采用有限元方法进行结构动力分析，但有限元方法计算的厂房结构振动缺乏评价标准。

为解决上述问题，本文从结构功用和特点的角度对水电站厂房这一复杂结构进行了分类，通过对现行结构振动控制标准的总结，在国内外振动控制标准限值的对比研究和15个正常运行的水电站厂房振动数值分析成果的基础上，明确了水电站厂房振动控制评价对象、指标和振动限值，提出了内源动荷载(水力、机械和电磁)作用下水电站厂房结构动力反应控制标准，在水电站厂房振动控制标准方面进行了探索。

1、国内外建筑结构振动控制标准对比

国内外振动控制标准对比见表1。从表1可以看出，各国标准和各行业标准对振动影响的评价依据和参考因素不同，在振动控制标准上也存在较大差别。但各标准一般从建筑物、机械设备、仪器设备和人体健康4个方面对振动影响进行评定。

2、国内部分水电站厂房结构振动数值分析成果

通过收集和整理猴子岩、泸定、桐子林、龙头石、藏木、鲁地拉、锦屏一级、官地、溪洛渡、瀑布沟、深溪沟、大岗山、长河等13个常规水电站，及溧阳、洪屏2个抽水蓄能电站的厂房振动数值分析成果(上述水电站均已投入运行且未出现振动过大而影响正常运行的情况),得到水电站厂房振动数值计算对振动控制标准是具有意义的结论。

表1国内外振动控制标准对比

在统计和整理上述15个水电站厂房振动数值分析成果时，均采用厂房整体计算模型、以建基面为基准面、以正常运行工况为计算工况，并以重点关注厂房机墩和各层楼板为对象，统计其振幅、振动速度和加速度(见图1～9)。从图1～9可以得出以下规律：

(1)楼板结构：

竖向最大振幅为0.178 mm,水平向最大振幅为0.21 mm;竖向最大振动速度为1.655 mm/s,水平向最大振动速度为1.52 mm/s;竖向最大加速度为61.23 mm/s2,水平向最大加速度为56.18 m/s2。

(2)机墩结构：

竖向最大振幅为0.3 mm,大部分水平向振幅小于竖向振幅，除桐子林水平向振幅达到0.205 mm,其余均小于0.2 mm;竖向最大振动速度为2.96 mm/s,水平向最大振动速度为3.81 mm/s;竖向最大加速度为110 mm/s2,水平向最大加速度为141 mm/s2。

(3)其他结构：

竖向最大振幅为0.25 mm,水平向最大振幅为0.1 mm,水平向振幅普遍小于竖向振幅；竖向最大振动速度为2.22 mm/s,水平向最大振动速度为1.08 mm/s,且水平向振动速速普遍小于竖向振动速度；竖向最大加速度为33.18 mm/s2,水平向最大加速度为14.08 m/s2。

图1水电站厂房楼板结构振幅统计结果

图2水电站厂房机墩结构振幅统计结果

图3水电站厂房其他结构振幅统计结果

图4水电站厂房楼板结构振动速度统计结果

图5水电站厂房机墩结构振动速度统计结果

图6水电站厂房其他结构振动速度统计结果

图7水电站厂房楼板结构振动加速度统计结果

图8水电站厂房机墩结构振动加速度统计结果

图9水电站厂房其他结构振动加速度统计结果

3、动荷载作用下水电站厂房结构动力反应控制标准

3.1水电站厂房振动控制标准评价指标

水电站主厂房和副厂房属于工业建筑和工作场所，机电设备和辅机原则上不属于精密仪器设备，一般没有特别高的标准。工作人员在主厂房内部连续工作的时间一般不超过8 h。副厂房(中控室等)内的值班人员工作时间能够达到8 h,但副厂房的振动一般均较小，特殊情况下可能噪音超标。因此，本文研究了内源振动荷载作用下水电站厂房结构动力反应控制标准，不考虑噪音和仪器设备(精密仪器)振动控制标准。

机墩结构是推力轴承所在的下机架的支承结构，是机组的主要支承结构；发电机层楼板是主厂房振动的薄弱环节，实践和计算分析均证明楼板的振动响应最大，危害较大。因此，水电站厂房机墩和楼板结构是关注的重点，在建立水电站厂房振动控制标准时，将水电站厂房结构构件区分为机墩结构、楼板结构和其他建筑结构3类，分别提出振动控制标准。

机墩结构是推力轴承所在的下机架的支承结构，也是机组的主要支承结构，机墩除作为建筑结构评价外，也需要考虑其做为动力机械的基础进行振动评价。发电机层楼板是主厂房振动的薄弱环节，运行人员和电气设备常居于其上，因此，对楼板需要从建筑结构、楼板上布置的机电设备(非精密仪器)正常使用、人体健康卫生等几个方面进行振动评价。

从国内外建筑结构振动控制标准的总结成果，可以得出：

(1)从建筑结构振动损伤的角度出发，大部分标准以速度作为评价指标。

(2)从机械设备正常运行的角度出发，大部分标准以振幅作为评价指标。

(3)从人体健康的劳动保护角度出发，主厂房尤其是楼板的振动主要表现为垂直振动，工作人员一般处于站立位置，中国标准GB/T 13441.1—2007和ISO的标准基本是一致的，均是计算频率计权均方根加速度，然后与所建议的健康和舒适标准进行比较。因此，人体健康和舒适性的评价标准可采用频率计权均方根加速度作为基本评价指标。

综上所述，进行水电站主厂房振动控制标准评价时，将主厂房区分为机墩结构、楼板结构和其他建筑结构3类，选择振幅、速度峰值和加速度作为水电站厂房振动控制标准的评价指标。

3.2水电站厂房振动控制标准的拟定

水电站厂房是一个复杂的建筑结构，从功能和结构特点上，将厂房结构分为楼板、机墩和其他建筑结构3类。楼板是厂房振动的薄弱环节，布置有电气设备，且是运行人员的工作场所，因此，对楼板需要从建筑结构安全、机电设备正常使用和人体健康3个方面进行振动评价。机墩结构是推力轴承所在的下机架的支承结构，是机组的主要支承结构，故机墩除作为建筑结构评价外，还需要考虑做为动力机械的基础进行振动评价；厂房其他部位可以仅考虑作为建筑结构进行评价。

从建筑结构振动损伤的角度出发，国内外大部分振动标准以速度作为评价指标。从建筑结构作为机械设备基础的角度出发，大部分振动标准采用振幅作为评价指标，量值变化范围为0.10～0.25 mm。从人体健康角度出发，大部分振动标准采用加速度作为评价指标，GB/T 13441.1—2007/ISO 2631—1:1997《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第一部分：一般要求》和德国标准对应健康的加速度量值为0.45～0.8 mm/ s2。

15个被统计电站厂房结构的动力计算成果规律如下：

(1)楼板的竖向和水平振动位移最大分别为0.178mm和0.21 mm,竖向和水平向速度最大值分别为1.655 mm/s和1.518 mm/s,竖向和水平向加速度最大值为0.061 m/s2和0.056 m/s2。

(2)机墩的竖向和水平振动位移最大分别为0.3mm和0.2 mm,竖向和水平向速度最大值分别为2.96 mm/s和3.81 mm/s,竖向和水平向加速度最大值为0.11 m/s2和0.14 m/s2,且机墩水平振动位移都小于竖向位移。

(3)厂房其他建筑结构的竖向和水平振动位移最大分别为0.25mm(仅2个电站竖向位移达到0.25,其余均小于0.2 mm)和0.1 mm,竖向和水平向速度最大值分别为2.22 mm/s和1.08 mm/s,竖向和水平向加速度最大值为0.033 m/s2和0.014 m/s2。

由于国内外规范的速度量值范围变化较大，本项目统计的15个水电站振动速度均小于5 mm/s,从建筑结构安全角度，可将振动控制标准的速度峰值设定为5 mm/s;国内外规范的振幅量值变化范围为0.1～0.25 mm,根据15个水电站统计结果，从建筑结构作为机械设备基础的角度，将楼板、厂房其他结构水平和竖向振幅控制标准设定为0.2 mm,将机墩水平和竖向振幅分别设定为0.02 mm和0.3 mm。GB/T 13441.1—2007/ISO 2631—1:1997《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第一部分：一般要求》和德国标准提出的加速度量值均为0.45～0.8 mm/s2,从人体健康角度，厂房振动控制标准可以参照该规范执行。

综上所述，基于有限元方法，采用厂房整体模型、基准面为建基面、以正常运行工况为基本工况计算的水电站厂房振动控制标准建议值见表2。

表2水电站厂房振动控制标准建议值

4、结论及展望

4.1结论

针对规范使用中存在的问题，在总结已有振动控制标准和15个水电站厂房振动分析成果的基础上，提出了水电站厂房振动控制标准，主要结论如下：

(1)水电站厂房属于工业建筑，从功能和结构特点上，将厂房结构分为楼板、机墩和其他建筑结构3类，从建筑结构安全、机械设备正常工作、满足人体健康3个方面提出了振动控制标准。

(2)从建筑结构振动损伤的角度出发，采用速度作为评价指标；从建筑结构作为机械设备基础的角度出发，采用振幅作为评价指标；从人体健康角度出发，采用加速度作为评价指标。

(3)参考国内外规范的规定和15个水电站厂房振动分析数值计算成果，将楼板、厂房其他结构的水平和竖向振幅限值设定为0.2 mm,机墩水平和竖向振幅限值分别设定为0.2 mm和0.3 mm;将楼板、机墩和厂房其他结构的速度限值设定为5 mm/s;人体健康控制标准可参照GB/T 13441.1—2007/ISO 2631—1:1997《机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价第一部分：一般要求》执行，在此基础上，提出了水电站厂房振动控制标准。

4.2展望

通过对水电站厂房振动控制标准的探索和研究发现，水电站厂房振动是由水力、机械、电磁3种振源共同引起的，三者之间并不是孤立的，各部位的振动具有强烈的动态非线性和动态耦联特性，厂房结构动力反应非常复杂。针对水电站厂房振动控制标准，下一步可进行重点研究的工作主要有以下几点：

(1)收集和统计水电站厂房现场振动测试成果，结合振动测试数据对厂房振动控制标准进行修正和验证。厂房结构振动是一个复杂的系统动力学问题，其研究尤其是振动控制标准必须结合理论与试验研究。目前，由于试验成本等问题，实测资料积累较少，在后续研究中，可以开展现场振动测试和反演识别工作，为水电站厂房振动控制标准拟定、结构动力分析和抗振设计提供更加可靠的依据。

(2)将结构动应力和疲劳强度纳入振动控制标准的范畴。NB 35011—2016《水电站厂房设计规范》没有对机墩之外的结构构件提出考虑水轮发电机振动荷载和水轮机压力脉动荷载作用效应的规定。后续研究中，应针对水电站厂房钢筋混凝土结构以及流道金属结构的动态安全性和疲劳寿命进行评价和预测。

(3)未来研究应纳入更多的抽水蓄能电站、不同机组型式的厂房振动数值计算成果和现场实测数据，丰富和完善水电站厂房振动控制标准。抽水蓄能电站具有双向运行、水头高的特点，振动问题更加突出，由于收集资料有限，本文统计的15个水电站厂房数值计算成果，其中2个为抽水蓄能电站，且均为立轴混流式机组，在进一步开展水电站厂房振动控制标准研究时，可收集更多类型的振动计算和监测成果，丰富振动控制标准研究的基础资料。

参考文献:

[1]马震岳,董毓新.水轮发电机机组动力学[M].大连:大连理工大学出版社,2003:72-73.

[2]水电水利规划设计总院.水电站厂房设计规范:NB 35011—2016[S].北京:中国电力出版社,2017:28-29,59-62.

[3] H.培契曼,W.艾曼.人和机械引起的结构振动[M].建筑科学编辑部,1990:63-78.

[4]中国机械工业联合会.建筑工程容许振动标准:GB 50868—2013[S].北京:中国计划出版社,2013:25-26.

[5]中国机械工业联合会.隔振设计规范:GB 50463—2008[S].北京:中国计划出版社,2009:9-10.

[6]全国机械振动与冲击标准委员会.机械振动与冲击人体暴露于全身振动的评价:GB/T 13441.1—2007[S].北京:中国标准出版社.2007:17-18.

[7]中煤国际工程集团北京华宇工程有限公司.选煤厂建筑结构设计规范:GB 50583—2010[S].北京:中国计划出版社,2010:17-18.

[8]中国疾病预防控制中心.工业企业设计卫生标准:GBZ 1—2010 [S].北京:中国标准出版社,2010:12-13.

文章来源:罗乾坤,李治国,莫如军.水电站厂房结构动力反应控制标准研究[J].水电站设计,2024,40(03):77-82.