王海荣1 孔伟2
（中国水利水电第十四工程局有限公司） 云南省昆明市 650000
【摘要】本文重点对厂顶溢流式厂房结构的受力状态、振动特性，水流、机械、电磁荷载特性，水力-结构-机电耦联作用规律和运行优化模式等方面开展系统的理论分析、数值仿真分析，合理评价结构振动安全性，提出工程措施，为工程设计及运行管理提供科学依据。
【关键词】 厂顶溢流式厂房 厂房振动
1、厂顶溢流式厂房振动研究的目的
溢流式厂房布置形式在国内外均有大量采用，但是激励振动、机组和泄流强迫振动、流固耦联振动的机理揭示和分析与设计方法尚不成熟，因此，开展厂顶溢流式厂房振动方面的研究，对确保工程的稳定运行、结构安全，提供可靠抗震安全措施，及为今后类似工程的设计提供成熟经验，具有十分重要的学术意义和实践价值。
2、数字化模型的建立及分析
为模拟水电站厂房动力自振特性，采用有限元数值计算分析法建立了三种三维模型进行比较分析。图1～图4分别为整体结构模型、上部结构模型、下部结构模型的第一阶振型图和整体结构的第7阶振型图。
厂房整体结构的基频为10.829Hz，厂房上部结构基频为10.847 Hz，厂房下部结构基频为20.871 Hz，表1列出整体模型的前20阶自振频率、上部结构模型的前10阶自振频率及下部结构模型的前10阶自振频率。
表1 厂房自振频率表(单位Hz)
从模态计算结果可以看出，整体结构的前6阶振型都出现在上部梁柱体系上，第7阶振型峰值出现在发电机层楼板上。上部结构基频振型分布和频率值与整体结构第1阶振型分布和频率值基本一致；下部结构基频振型分布和频率值与整体结构第7阶振型分布和频率值基本一致。
3、共振校核分析
根据《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：
式中，
分别为机墩组合结构自振频率和激振荷载频率。
现将主要的振源频率（额定转速为5Hz,飞逸转速10Hz，启动过程0～5Hz，丢负荷Ⅰ5～10Hz，丢负荷Ⅱ10～0Hz。）和各模型的自振频率对比列于表2中，并给出小于30%的频率错开度值，可以对共振的可能性一目了然。进而分析共振的危险性，因为只有某些振源是主要的，或者某些振型是主要的，需要予以特别关注。
表2 厂房模型结构自振频率与振源频率汇总及共振校核
注：“—”表示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30％。
根据表2中的计算结果可知：
（1）在各种外来激振频率中，都只与厂房的上部结构自振频率有小于30%的错开度，而与厂房下部结构自振频率的错开度均大于30%。因此，厂房下部结构与机组可能振源间不存在明显的共振区，只需对厂房的上部结构进行共振校核。
（2）表2的校核结果可知，厂房的自振频率与额定转频错开度均较大，且额定转频与各阶频率错开度均大于30%，基本不存在明显的共振区。因此，厂房结构的各阶自振频率与额定转频具有足够的错开度，厂房与机组额定转频发生共振的危险性基本不存在。
（3）飞逸频率与厂房上部结构第1～第3阶频率存在共振问题；机组启动时不存在共振问题；机组丢弃负荷与厂房的上部结构第1～第3阶频率存在共振问题。在机组启动试运行和甩负荷试验或机组并网运行中，应对飞逸工况和丢弃负荷工况尽量加以控制和警觉。
4、厂房共振分析
通过对厂房整体结构、上部结构、下部结构进行了共振校核和共振分析可知：厂房下部结构自振频率与机组振源可能不存在明显的共振区，且上部结构各阶频率与额定转频的错开度也较大，发生共振的危险性较小。厂房上部结构的前3阶频率与飞逸频率、丢负荷等频率的错开度较小，但由于飞逸工况、丢弃负荷均是一种非常事故和短暂工况，出现的机会很少，且运行时间很短，共振的危害不突出。
综合评价认为，厂房结构有足够的刚度，若无其他不可预见的机组振源出现，共振的危险性不大。
参考文献：
《水电站厂房设计》顾鹏飞编
《地下水电站厂房设计》杨述仁编著
《水工建筑物设计丛书》潘家铮主编
《有限单元法原理与应用》朱伯芳主编 第二版