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土木工程畢業(yè)論文-燈泡貫流式水電站廠房三維靜動(dòng)力分析(二)
摘要：國(guó)內(nèi)水利水電工程建設(shè)正處于前所未有的蓬勃時(shí)期，許多低水頭徑流式水電站建設(shè)逐步在我國(guó)的江河上興建，其中燈泡貫流式水電站由于流道平坦，機(jī)組過(guò)流量大、單位轉(zhuǎn)速高、效率高、尺寸小、重量輕、能量及指標(biāo)好等優(yōu).點(diǎn)成為目前比較普遍的一種開發(fā)型式。然而，由于燈泡貫流式水電站廠房獨(dú)特的布置型式，致使應(yīng)力分布有不同于常規(guī)水電站廠房的特點(diǎn)，特別是在高地震烈度區(qū)修建的燈泡貫流式水電站。因此，本項(xiàng)目的具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。
關(guān)鍵詞：燈泡貫流式水電站靜、動(dòng)力分析有限元
1.3燈泡貫流式水電站廠房布置及特點(diǎn)[29～51]
1.3.1廠房類型
燈泡式貫流機(jī)組廠房多為擋水廠房，廠房本身作為樞紐擋水建筑物的一部分。擋水廠房可分為單純擋水廠房和溢流廠房。由于廠房兼作擋水建筑物，其設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)與閘坎等擋水建筑物相同。
單純擋水廠房為通常采用的形式，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，廠房四周有足夠高的擋水墻擋水，水庫(kù)上游來(lái)水流量大于發(fā)電用水時(shí)，多余水量由瀉水閘棄水。
溢流廠房可通過(guò)廠房頂瀉流，分擔(dān)瀉水任務(wù)，減少瀉水閘孔數(shù)，節(jié)省瀉水閘工程量。溢流廠房上、下游擋水墻無(wú)須設(shè)置到水庫(kù)最高水位以上，廠房本身土建工程量也可減少。同時(shí)廠房的浮托力也減少，廠房的接觸力也可大為改善。廠房頂溢流堰面可設(shè)閘門也可不設(shè)閘門。不設(shè)閘門時(shí)，水位超過(guò)溢流堰面時(shí)，自由溢流棄水，可省去金屬結(jié)構(gòu)工程量。樞紐正常蓄水位較高時(shí)，通常設(shè)置閘門擋水，水庫(kù)需要棄水時(shí)，由閘門控制瀉流。在溢流棄水發(fā)電時(shí)，由于水流的射流作用增加發(fā)電量，在溢流棄水不發(fā)電時(shí)，減少或清除了廠房尾水的回流淤積。溢流廠房的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比常規(guī)擋水廠房施工難度大。在有條件的情況下采用溢流廠房其經(jīng)濟(jì)效益還是很好的。
1.3.2廠房布置及特點(diǎn)
�。�1）流道及進(jìn)出口設(shè)備布置
燈泡式水輪發(fā)電機(jī)組過(guò)水流道外形由生產(chǎn)廠家根據(jù)試驗(yàn)確定并提供給設(shè)計(jì)部門，流道通�？煞殖蛇M(jìn)口段、中段和出口段。燈泡式水輪發(fā)電機(jī)組放置在流道中段內(nèi)，其上游部分為進(jìn)口段，下游部分為出口段。
流道進(jìn)口段通常布置有攔污柵、檢修閘門及其所屬的起閉設(shè)備和進(jìn)口閘墩、胸墻及橋面結(jié)構(gòu)。上游閘門至機(jī)組首部距離很近，流道進(jìn)口的布置主要是確定攔污形式和攔污柵、檢修門及壩頂公路的相對(duì)位置。
大多數(shù)燈泡貫流式機(jī)組電站在廠房渠道進(jìn)水口處依次設(shè)置攔污浮排、攔沙坎、攔污柵,以攔截飄浮物和防止推移質(zhì)泥沙進(jìn)入機(jī)組流道�，F(xiàn)在有部分電站,取消攔污浮排,在電站進(jìn)水口上游的攔沙坎上設(shè)置一排攔污柵,即把攔污柵布置在進(jìn)水墩前緣上游數(shù)十米處。采用這種通敞式布置的主要優(yōu)點(diǎn)有:①因攔污柵離廠房有一定的距離,使廠房前有一相對(duì)靜水區(qū),水流流態(tài)比較穩(wěn)定,過(guò)柵流速較小,污物容易清除,由于攔污柵引起的水頭損失小,可以提高機(jī)組出力;②一旦某孔攔污柵被污物堵塞嚴(yán)重,水流可以從其它孔通過(guò),在廠房前的靜水區(qū)內(nèi)進(jìn)行調(diào)整,不至于對(duì)某一機(jī)組的發(fā)電出力產(chǎn)生明顯的,因此,通敞式攔污柵不失為一種好的布置形式。
流道出口段布置有尾水閘門及其啟閉設(shè)備。由于貫流式機(jī)組流道平直,機(jī)組上下游閘門的設(shè)計(jì)水頭和操作水頭相差不大,從經(jīng)濟(jì)角度尾水閘門亦具備作為工作閘門的條件。尾水快速閘門和尾水事故閘門是貫流式機(jī)組電站尾水閘門布置的兩種類型,也是防機(jī)組飛逸事故的常用過(guò)速保護(hù)措施,當(dāng)電站采用機(jī)組和尾水閘門聯(lián)合運(yùn)行方式時(shí),又是控制電站流量流道的工作閘門。
�。�2）主廠房布置
燈泡貫流式機(jī)組主機(jī)成臥式布置在流道內(nèi)，尾水管為直錐形，對(duì)溢流式和非溢流式等各種廠房結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的適應(yīng)性，溢流式廠房雖然可節(jié)省廠房投資，但這種廠房有噪音大、通風(fēng)采光條件差、吊物孔受氣候影響、溢流面的吊物孔密封要求高等缺點(diǎn)，在我國(guó)所建崖電站中大多采用非溢流封閉式廠房。
機(jī)組間距、廠房高度、跨度燈泡貫流式機(jī)組的安裝程序有兩種:第一種，尾水管里襯(包括法蘭段)→管形座~接力器基礎(chǔ)→(廠房封頂)→橋機(jī)→機(jī)組。第二種，尾水管里襯→(廠房到頂)→橋機(jī)→管形座→機(jī)組→尾水管里襯法蘭段。
主廠房高度主要決定于配水環(huán)(導(dǎo)水機(jī)構(gòu))組件翻身的吊裝要求。各大件吊裝必須與廠家協(xié)商，認(rèn)真對(duì)待，一旦沒有考慮周到，將給安裝檢修帶來(lái)很煩。
主廠房跨度主要由機(jī)組結(jié)構(gòu)尺寸和發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)各部件的安裝要求決定。在發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)子、定子安裝前，先將燈泡頭冷卻套(或發(fā)電機(jī)上游柜架)吊入機(jī)坑內(nèi)。為了方便安裝，應(yīng)認(rèn)真審查廠家發(fā)電機(jī)安裝豎并的尺寸，滿足幾個(gè)大件的安裝要求。
燈泡式機(jī)組間距主要由流道尺寸決定，一般比常規(guī)機(jī)組小。由于管形座的支臂已形成進(jìn)入機(jī)組內(nèi)部的通道，有些大型機(jī)組此通道與廊道相接，故在機(jī)組之間不必設(shè)置樓梯，只需在主廠房?jī)啥嗽O(shè)置樓梯至水輪機(jī)廊道。樓梯進(jìn)口可設(shè)在主廠房下游側(cè)副廠房?jī)?nèi)。
目前國(guó)內(nèi)已運(yùn)行和在建的燈泡貫流式機(jī)組電站，主廠房的布置形式各有其特點(diǎn)，歸納起來(lái)有以下幾種:
�、僦鲝S房分運(yùn)行層、管道層和廊道層共三層的格式。國(guó)產(chǎn)機(jī)組的調(diào)速器和油壓裝置管道接口以及回油箱等設(shè)備均布置在樓板下面，加之輔助設(shè)備較多，尺寸大，如果都布置在運(yùn)行層，水工結(jié)構(gòu)、設(shè)備布置方面都有一些困難�；蛘呷绻掠嗡惠^高，安裝場(chǎng)需抬高，運(yùn)行層與安裝場(chǎng)取同一高程的話，下面的空間高，可增設(shè)管道層。這樣，運(yùn)行層顯得整齊、美觀、方便，把一些閥門、自動(dòng)化元件等附屬設(shè)備布置在管道層也便于操作維護(hù)，兩全其美。而運(yùn)行層設(shè)一整層還是局部，通常又有兩種方式:運(yùn)行層為局部，布置成半弧島式，僅下游側(cè)設(shè)有運(yùn)行層，發(fā)電機(jī)、水輪機(jī)豎井的蓋板在管道層。這樣可減少噪音的影響，管道層檢修維護(hù)方便，節(jié)省投資，但這種布置由于運(yùn)行層面積小，運(yùn)行維護(hù)不夠方便。運(yùn)行層為整層，將發(fā)電機(jī)和水輪機(jī)安裝豎井的蓋板布置在運(yùn)行層，這樣就形成了整個(gè)運(yùn)行層地面，比較寬敞，運(yùn)行管理方便。
對(duì)于管道層中管道、電纜的布置方式，可根據(jù)此層的高度以及其它綜合因素分如下在運(yùn)行層的樓板下面架空和在管道層分別設(shè)置管道溝及電纜溝兩種。
廊道層是貫穿各機(jī)組的通道，此層布置有軸承油箱、測(cè)量管路、排水泵等輔助設(shè)備。
�、谥鲝S房分運(yùn)行層與廊道層共二層的格式。
如前所述，進(jìn)口機(jī)組的調(diào)速器、回油箱、油壓裝置之間聯(lián)接管路的接口在側(cè)面，閥門自動(dòng)化元件布置較集中，組合體積小，其管道及閥門等輔助設(shè)備只需在主機(jī)周圍稍微低一點(diǎn)的坑中布置便可，有些自動(dòng)化元件布置在燈泡體內(nèi)，只需將聯(lián)接管路和電纜布置在機(jī)組兩側(cè)的電纜溝和管道溝內(nèi)，不必設(shè)管道層。這樣，既節(jié)省土建費(fèi)用又方便運(yùn)行，主廠房寬敞。例如:南津渡、馬跡塘等電站都是如此。
由于國(guó)產(chǎn)機(jī)組調(diào)速器、油壓裝置等設(shè)備的要求，耀設(shè)管道層即主廠房分三層是合理的，如果制造廠能鈞調(diào)速器及油壓裝置的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，使自動(dòng)化元件盡量布置在機(jī)械拒內(nèi)或燈泡體內(nèi)，連接管接口布置采幾進(jìn)口機(jī)組的形式，這樣主機(jī)室就可以分兩層布置，既司減少工程量又便于運(yùn)行管理。
�。�3）副廠房的布置
副廠房必須便于同主廠房聯(lián)系,還應(yīng)注意運(yùn)行人員的工作條件。為了充分利用尾水管基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)以上的空間,副廠房布置在主機(jī)室的下游側(cè),這是燈泡貫流式機(jī)組電站常用的格局。機(jī)旁盤、勵(lì)磁盤宜布置在這里且與操作層同高程,便于運(yùn)行管理。在尾水管上部布置副廠房節(jié)省投資,但是這樣副廠房通風(fēng)差、噪音大,工作環(huán)境差。尤其是有些尾水副廠房頂層兼作公路橋梁(如馬跡塘水電站),汽車開過(guò)時(shí)振動(dòng)、噪聲都比較大。因此中央控制室、載波通信室、資料室等主要生產(chǎn)副廠房(這些需要運(yùn)行人員8ｈ連續(xù)工作的場(chǎng)所),不宜放在尾水平臺(tái)上副廠房?jī)?nèi),應(yīng)放在靠近岸邊安裝場(chǎng)靠下游側(cè)的副廠房?jī)?nèi)(如木京電站)。為改善下游側(cè)副廠房的通風(fēng)條件和采光條件,可將下游擋水墻向后移,使之與副廠房有一定的距離,這樣可以在副廠房的墻上開設(shè)窗戶,改善通風(fēng)和采光條件(如都平電站、木京電站)。
（4）安裝場(chǎng)布置
安裝場(chǎng)面積的確定應(yīng)按大修時(shí)放置機(jī)組各主要部件來(lái)考慮，也要適當(dāng)考慮安裝的要求，當(dāng)電站要求幾臺(tái)機(jī)組同時(shí)安裝時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大安裝場(chǎng)的面積。根據(jù)幾座已建電站的經(jīng)驗(yàn)，安裝場(chǎng)主要考慮轉(zhuǎn)輪、配水環(huán)、轉(zhuǎn)子、定子、主軸(包括推力軸承和導(dǎo)軸承)等五大件的組裝和翻身所需場(chǎng)地，其他一些小部件，可在主廠房?jī)?nèi)進(jìn)行。安裝場(chǎng)長(zhǎng)度取2倍的機(jī)組間距，便能滿足要求。
1.4燈泡貫流式水電站廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)力的研究方法
1.4.1廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)力的研究的必要性
燈泡貫流式水電站廠房一般由上游擋水閘門、流道、下游擋水閘門、排沙孔、主廠房上部結(jié)構(gòu)等部分組成，由于是由多個(gè)孔洞組成的復(fù)雜三維孔洞結(jié)構(gòu)，作為擋水建筑物，要承受上、下游水平作用力，使河床式廠房的內(nèi)力分布較其它型式的廠房更加復(fù)雜，而燈泡貫流式機(jī)組較軸流式相比，其機(jī)組型式、受力方式有自身特點(diǎn)，特別是對(duì)于廠內(nèi)溢流式廠房使得廠房結(jié)構(gòu)布置和受力條件更加復(fù)雜，設(shè)計(jì)中許多技術(shù)需要通過(guò)計(jì)算深入研究，為了全面了解各設(shè)計(jì)工況（特別是廠房表孔泄流情況）廠房壩段應(yīng)力、位移狀態(tài)，使廠房結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理、安全、經(jīng)濟(jì)，采用整體三維靜動(dòng)力有限元計(jì)算是十分必要的。
通過(guò)整體三維靜動(dòng)力有限元計(jì)算，了解廠房流道的應(yīng)力、變形、配筋及防裂情況；廠房表孔閘墩和底板的應(yīng)力、變形、配筋及防裂情況；廠房上部結(jié)構(gòu)的自振頻率應(yīng)大于表孔過(guò)流脈動(dòng)優(yōu)勢(shì)頻率，以防止共振；廠房流道、表孔邊墩的自振頻率同機(jī)組頻率要相對(duì)錯(cuò)開，以防止共振。
1.4.2廠房結(jié)構(gòu)靜力的
對(duì)水電站廠房結(jié)構(gòu)應(yīng)力及穩(wěn)定方法有：結(jié)構(gòu)力學(xué)法、材料力學(xué)法和有限元法[52～56]。
結(jié)構(gòu)力學(xué)法和材料力學(xué)法對(duì)電站廠房應(yīng)力及穩(wěn)定分析中比較簡(jiǎn)單，但是對(duì)于比較復(fù)雜的廠房結(jié)構(gòu)過(guò)于簡(jiǎn)化計(jì)算模型將導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不能反映廠房結(jié)構(gòu)的實(shí)際應(yīng)力狀態(tài)，尤其在某些應(yīng)力狀態(tài)比較復(fù)雜的部位由于過(guò)于簡(jiǎn)化而引起計(jì)算結(jié)果錯(cuò)誤，而且結(jié)構(gòu)力學(xué)法和材料力學(xué)法對(duì)于求解瞬態(tài)及動(dòng)力學(xué)分析也比較困難。
有限元法是20世紀(jì)40年代提出的處理材料屬性和邊界條件較復(fù)雜的一種有效的離散化的數(shù)值方法，離散后的單元和單元之間只通過(guò)節(jié)點(diǎn)相聯(lián)系，所有的力和位移都通過(guò)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計(jì)算。利用有限元法對(duì)廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析計(jì)算有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）大型水電站廠房的物理模型制作不易，有些因素模擬困難，不能作過(guò)程仿真分析，而有限元模型則易于模擬；（2）有限元模型能突出構(gòu)成建筑物本質(zhì)特征的因素，便于分析了解建筑物的性能；（3）可以變動(dòng)模型有關(guān)因素條件進(jìn)行敏度分析，了解他們對(duì)廠房的程度及趨勢(shì)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)提出啟示；（4）能針對(duì)廠房的某一部分進(jìn)行詳細(xì)模擬，來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)中重要部位的應(yīng)力分布狀況；（5）能進(jìn)行非線性分析、模態(tài)分析以及動(dòng)力分析。
1.4.3廠房結(jié)構(gòu)動(dòng)力的研究方法[57]
動(dòng)力學(xué)問(wèn)題在國(guó)民和技術(shù)的中有著廣泛的領(lǐng)域。最經(jīng)常遇到的是結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，它主要包括動(dòng)力特性分析和動(dòng)力時(shí)程分析兩種類型。對(duì)水電站廠房的動(dòng)力分析主要研究廠房結(jié)構(gòu)在地震和機(jī)組震動(dòng)作用下廠房結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布以及其穩(wěn)定性。因此，對(duì)廠房結(jié)構(gòu)的動(dòng)力分析也就是抗震分析。目前，對(duì)水電站廠房動(dòng)力分析的方法常有以下幾種：
�。�1）振型分解反應(yīng)譜法
根據(jù)振動(dòng)分析，多質(zhì)點(diǎn)體系的振動(dòng)可以分解成各個(gè)振型的組合，而每一振型又是一個(gè)廣義的單自由度體系，利用反應(yīng)譜便可以得出每一振型水平地震作用。經(jīng)過(guò)內(nèi)力分解計(jì)算出每一振型相應(yīng)的結(jié)構(gòu)內(nèi)力，按照一定的方法進(jìn)行各振型的內(nèi)力組合。
該方法考慮了多個(gè)振型的影響，計(jì)算精度較高，但該方法是利用反應(yīng)譜得出每一振型的地震反應(yīng)，以靜力方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，屬于擬靜力法的范疇.
�。�2）時(shí)程分析法
根據(jù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)的動(dòng)力方程，選擇適當(dāng)?shù)膹?qiáng)震記錄作為地面運(yùn)動(dòng)，然后按照所設(shè)計(jì)的建筑物確定結(jié)構(gòu)振動(dòng)的計(jì)算模型和結(jié)構(gòu)恢復(fù)力模型，利用數(shù)值解法求解動(dòng)力方程。該方法可以直接計(jì)算出地震地面運(yùn)動(dòng)過(guò)程中結(jié)構(gòu)的各種地震反應(yīng)(位移、速度和加速度)的變化過(guò)程，并且能夠描述強(qiáng)震作用下，結(jié)構(gòu)在彈性和彈塑性階段的變形情況直至倒塌的全過(guò)程。該方法屬動(dòng)力分析的方法，由它可以了解結(jié)構(gòu)反應(yīng)的全過(guò)程，由此可以找出結(jié)構(gòu)地震過(guò)程中的薄弱部位和環(huán)節(jié)，以便修正結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì).但該方法耗時(shí)太多，并且所選的地震波也不一定就能代表結(jié)構(gòu)實(shí)際要遭遇的地震。所以，目前只對(duì)一些體型較復(fù)雜的建筑和超過(guò)一定高度范圍的高層建筑，才應(yīng)用該方法來(lái)檢驗(yàn)結(jié)構(gòu)抗震性能。
�。�3）隨機(jī)分析法
由于她震動(dòng)的隨機(jī)性和復(fù)雜性，結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)也應(yīng)該是隨機(jī)而復(fù)雜的，因而只能求得結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的統(tǒng)計(jì)特征，或者求得具有出現(xiàn)概率意義上的最大反應(yīng)，這一方法從隨機(jī)觀點(diǎn)處理了反應(yīng)超過(guò)定值的概率，使抗震設(shè)計(jì)從安全系數(shù)法過(guò)渡到了概率的分部系數(shù)法，它屬于結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的非確定性分析法。
（4）能量分析法
地震作用下，地震動(dòng)的能量輸入到結(jié)構(gòu)，要轉(zhuǎn)換成結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能而耗散地震動(dòng)的能量。該方法就是分析這種能量的轉(zhuǎn)換關(guān)系或直接比較能量的輸入與耗散，以結(jié)構(gòu)在地震中的變形、強(qiáng)度和能量吸收能力作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，按允許耗能狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，控制結(jié)構(gòu)的變形和強(qiáng)度。用能量耗散性質(zhì)可以反應(yīng)結(jié)構(gòu)的地震非彈性反應(yīng).能量耗散的全過(guò)程，既反映了結(jié)構(gòu)的變形，又表達(dá)了地震反復(fù)作用的次數(shù)即強(qiáng)震的持續(xù)時(shí)間，從而能反應(yīng)地震的累積破壞。
該方法的優(yōu)點(diǎn)就在于它包括了力和變形兩個(gè)方面的問(wèn)題，是力和變形的綜合度量;同時(shí)，對(duì)地面運(yùn)動(dòng)的敏感性也較小，輸入地震波的性質(zhì)變化對(duì)能量反應(yīng)不如對(duì)變形的影響大。這是一種很有發(fā)展前途的方法。
1.5本文研究的主要
本文完成的工作主要有以下幾個(gè)方面：
(1)國(guó)內(nèi)外燈泡貫流式水電站建設(shè)現(xiàn)狀及水電站廠房靜、動(dòng)力分析的調(diào)研、分析；
(2)燈泡貫流式水電站廠房結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析理論的研究以及有限元公式的推倒；
(3)ANSYS軟件在燈泡貫流式水電站廠房結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析中的實(shí)現(xiàn)；
(4)工程實(shí)例計(jì)算分析。
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