欧慧琳

(广东省水利电力勘测设计研究院有限公司，广东 广州 510000)

建筑结构动态设计是满足其安全性和功能性要求的前提，泵站厂房的振动一直是厂房结构不可回避的问题[1- 3]，并通过各种途径传递到泵支撑体系-厂房结构，因此厂房结构抗震设计对泵站的安全运行极其重要。水泵站的振源一般包含机械振源、水力振源、电磁振源三大类[4]，泵运行过程中，上述振源通过泵支撑结构、各种与振源密接的混凝土支承结构传递到厂房结构，引起厂房结构振动，并对泵本体耦合振动，影响机组安全运行。随着输水系统的规模增加，泵房结构的振动能量增加，泵房结构的振动问题更加突出，振动对泵房结构、泵设备运行的安全性、工作人员的舒适性与身心健康均产生不利影响。

作为目前国内较大输水能量的高新沙泵站，也会存在类似的振动问题。因此利用有限元数值模拟方法进行泵站厂房结构抗震设计与研究非常必要。本文基于Abaqus有限元对高新沙泵站厂房结构进行动力特性和动力响应分析[5- 6]，评估初设阶段泵站厂房结构型式设计和抗震设计的合理性，通过结构不利荷载的敏感性分析，为现有厂房结构在动力设计、配筋、结构型式等方面的优化提供参考。

1 工程概况

高新沙泵站位于广州市南沙区高新沙，泵站紧靠高新沙水库东侧、高沙河右岸布置，现状地面高程0.6～1.5m，地势较为平坦。工程任务是从高新沙水库内取水，经泵站加压提升后，由压力管道输送至沙溪高位水池，泵站的主要建筑物级别为1级，泵站设计运行水位为4.20m，最高运行水位为4.30m，最低运行水位为1.60m。高新沙泵站为块基型半地下式钢筋混凝土结构，泵站厂房内装6台(4用2备)立式单级单吸蜗壳离心泵，总装机容量为6×12MW，总设计抽水流量60m3/s，单机设计抽水流量15m3/s。泵站枢纽顺水流向依次布置拦砂坎、进水前池、进水闸、渐变段、引水涵管、量水间、引水管、主泵房、出水压力箱、出水管等。

工程主泵房分为6层，由下至上分别为流道层、蜗壳层、检修巡视层、中间层、电动机层、安装层。

①流道层：高程-20.4m，布置上游引水钢管伸缩节及工作阀门；左侧端头布置渗漏集水井，渗漏集水井主要负责泵房渗漏水的收集，分区工作，分别由排水泵抽出厂外。

②蜗壳层：上游侧高程-15.4m，下游侧高程-16.20m，布置机组蜗壳设备、工作阀门等，蜗壳大体积混凝土两侧及各机组段之间设置上、下游连接通道；此外，蜗壳层在主机间下游侧设置混凝土连续墙，作为出水管及厂房吊车梁立柱的支撑结构，3#、4#机组之间布置一条管径1200mm充水钢管；

③检修巡视层：高程-10.40m，可以通往副厂房下游侧；

④中间层：高程-5.90m，在主机间下游侧设置爬梯，可以通往副厂房内吊车的驾驶室；

⑤电动机层：高程-1.4m，布置机组调速器、油压装置、机旁盘等设备；

⑥安装层：高程4.65m，与安装间高程同高，沿泵房上下游及左侧布置宽为1.5m的巡视通道。

2 厂房结构Abaqus有限元模型

2.1 有限元模型建立

为了按中间机组段(3#、4#机)建立厂房有限元模型，纵向长度23.98m，横向方向包括主机间厂房(跨度25.5m)和副厂房(跨度16.8m)。动力模型从厂房底板(高程-23.4m)到主机间屋顶(高程21.9m)。模型包括机组段的全体结构：包括泵站水下墙、机组进水管、蜗壳外包混凝土、机墩、风罩以及各层梁板柱结构和墙体等，所有混凝土结构及其开孔尺寸较大孔洞均根据实际体型尺寸开展模拟，其中包括风罩进人孔、主引出线孔、中性点引出线孔、机墩进人孔、锥管进人孔、蜗壳层交通廊道以及各层楼板的大尺寸吊物孔等结构开孔。模型建立厂房直角坐标系，其中，xy轴位于水平面内，x轴沿厂房横向，y轴沿厂房纵向，z轴向上。动力计算厂房有限元模型如图1所示。

图1 动力计算厂房有限元模型(含周围土体)

在三维有限元计算模型中[7- 8]，共采用了4类单元：采用块体单元模拟墙体、楼板、风罩、机墩、桩基等大体积混凝土结构及周围土体；采用板壳单元模拟钢衬；采用表面单元模拟动力计算时施加在混凝土结构上的附加质量；采用集中质量单元加在电机基础板所在的混凝土节点上。

2.2 模型检验校正

动力计算有限元模型单元总数为110040，结点总数为358485，未知数个数为1102815个。本项目由于厂房结构体型非常复杂，用有限元模拟厂房还是有很大的难度的。在Abaqus的verify mesh工具进行动力有限元模型网格检查时发现，在总计110024个单元中，单元形态不好的警告单元占比仅为3.9%(4287个)，表明该动力有限元模型是比较可靠的。上述警告单元是发生在柱与大体积混凝土连接处(柱与进水侧边墙、柱与压力箱)、中间柱与底部隔墙连接处、副厂房牛腿、压力箱孔周边、风罩开孔处、机墩开孔处、底板以及进水管与蜗壳钢衬单元，属于结构相对薄弱位置，亦是较合理的。

2.3 模型材料参数

厂房混凝土强度等级为C30，钻孔灌注桩混凝土强度等级为C35。进水管、蜗壳、压力箱为钢结构。进水管壁厚18mm。蜗壳钢衬厚度20mm。压力箱进水管壁厚为18mm，压力箱壁厚为28mm，压力箱出水管壁厚为32mm。混凝土、钢材、土体的应力应变关系都按线性弹性考虑，力学参数见表1。

3 厂房结构振动动力特性计算

3.1 结构自由振动计算原理

采用Lanczos方法[9]求解结构自由振动方程，得到结构自由振动频率与主振型。结构自由振动方程为：

表1 材料基本力学参数表

[K]{u}=ω2[M]{u}

(1)

式中，[K]—结构的刚度矩阵；[M]—结构的质量矩阵；{u}—结构上各节点自由度方向位移向量；ω—结构自由振动圆频率。

刚度矩阵由有限元程序计算，混凝土动弹性模量按1.3倍的静弹性模量计算。

在计算结构质量矩阵时，考虑厂房结构的质量、设备的质量与楼面活荷载质量。质量按标准质量计算，不考虑荷载分项系数。厂房结构的刚度与质量都要计算，厂房周围土体只参与刚度计算，不参与质量计算。

(1)混凝土结构质量，由有限元程序按一致质量矩阵计算。

(2)电机质量，按集中质量单元加在定子基础板与下机架基础上计算。

(3)座环质量与楼面活荷载对应的质量，按表面单元将质量附加在下方的混凝土单元上计算。

3.2 厂房结构自由振动频率与主振型

计算厂房结构前247阶频率与主振型，结构频率从2.2828Hz到53.042Hz。厂房结构前100阶自由振动频率如图2所示。

图2 厂房结构自由振动频率

结构自由振动频率与阶次呈正相关，阶次为1时振动频率最小为2.2828Hz，阶次为100时振动频率最大为33.598Hz，后续计算前10阶及部分更高阶自由振动主振型。

由计算可知，厂房结构从第1阶至第50阶前面阶段，自由振动主振型主要是上部框架的运动，上部框架出现不同程度的振动甚至是结构性破坏，下部的钢筋混凝土结构基础稳定，说明刚度较大的基础自稳能力较好，从第50阶至第247阶后面的振型也主要是厂房梁、板、柱的运动，说明较大刚度的基础在高频振动中依旧可以发挥自身的安全性和稳定性功能，也证明该厂房在正常使用情况下可保持建筑功能的完整和稳定实现。

由图3可知，厂房结构从第1阶至第4阶前几阶自由振动频率都比较低，其中第4阶频率为4.9014Hz，比较接近荷载频率5Hz。但第4阶主振型主要是主机间上部梁、板、柱的运动，远离电机荷载所在的机墩部位。而在电机基础荷载作用的厂房下部，振型位移并不大。厂房在较低振动频率时下部基础自稳性较高，上部结构的变形也较小，不可能出现同频率共振现象，说明厂房在5Hz发生共振的可能性并不大。

4 简谐荷载作用下结构动力响应分析

在厂房结构动力特性计算的基础上，通过解析现有设计施工图泵站厂房结构的动力响应，评估泵站厂房结构动力设计的合理性。

4.1 计算荷载及工况

电动机组运行时所产生的振动荷载主要有以下3种[10]：①垂直动荷载：包括电动机转子、水泵转轮、轴向水推力等引起的垂直动荷载。②切向动荷载：正常扭矩、两相短路扭矩与失步扭矩。③径向动荷载：电动机运转时，由于磁与机械不平衡、半数磁极短路引起。以上荷载均为简谐荷载，作用于机墩上机架基础、定子基础及下机架基础上，将上述机组动荷载施加在机墩结构的对应位置上，按稳态动力分析法计算结构的稳态动力响应。

电机简谐荷载[11]作用下共计算7种工况，各工况下基础板动力荷载频率与幅值如图3—4所示。

图3 各工况定子基础板动力荷载幅值

图4 各工况下机架基础板动力荷载幅值

4.2 稳态动力分析结果分析

4.2.1 简谐荷载下变形分析

以额定工况为例，对其简谐荷载下的位移变形幅值进行分析，合位移由分量位移合成，合位移假定各个分量位移都达到幅值后合成，位移表示简谐位移的幅值，如图5所示。

图5 额定工况合位移

厂房合位移较大值主要发生在主机间屋面、-2.2m层楼板3#机与4#机之间、-2.2m层楼板靠2#机部位、-6.7m层楼板3#机与4#机之间。最大合位移为13.3μm，发生在-6.7m层楼板3#机与4#机之间。对以上7种工况进行稳态动力分析，各工况位移幅值计算见表2。

从位移来看，额定工况、飞逸工况、地震工况与制动工况的位移都比较小，其中制动工况最小，其ux、uy、uz和u分别为3.1、1.0、7.0和7.0μm。两相短路工况、三相短路工况与半数磁极短路工况大。三相短路工况位移最大，其ux、uy、uz和u分别为112.7、28.3、97.87和117.7μm。从位移方向来看，x、z向位移较大，y向位移较小。说明厂房纵向刚度较大，位移以横向和竖向为主。

表2 各工况位移幅值 单位：μm

4.2.2 简谐荷载下应力分析

采用振型叠加法[12]对以上7种工况进行加速度幅值稳态动力分析，计算结果见表3。

从加速度来看，额定工况、飞逸工况、地震工况与制动工况的加速度都比较小，其中制动工况最小，与位移工况一致。半数磁极短路工况要大一些，两相短路工况与三相短路工况最大。

表3 各工况加速度幅值 单位：mm/s2

4.2.3 简谐荷载频率对结构动态响应的影响

结构动力响应随着荷载频率的大小及范围发生不同程度的变化，额定工况、半数磁极短路工况、制动工况和地震工况荷载频率为5Hz，飞逸工况荷载频率为7.5Hz，两相短路工况和三相短路工况荷载频率为50Hz，现以额定工况、飞逸工况和三相短路工况3个荷载梯度研究简谐荷载频率对结构动态响应的影响。如图6所示。

图6 不同频率简谐荷载下的结构动态响应

不同频率的简谐荷载依次施加于结构，可以看出结构响应幅度随荷载频率的增加呈正相关趋势。

5 结论

本文以高新沙泵站为研究背景，利用有限元数值模拟方法进行泵站厂房结构抗震设计与研究，结果显示：厂房结构自由振动主要是上部框架的运动，厂房下部刚度比较大，自稳性较高，厂房在5Hz不会发生共振。采用振型叠加法对7种工况进行稳态动力分析，从位移和加速度来看，额定工况、飞逸工况、地震工况与制动工况的位移都比较小，其中制动工况最小。两相短路工况、三相短路工况与半数磁极短路工况大。三相短路工况最大。

本文主要进行泵站厂房结构动力特性和响应分析，重点对于结构动力响应的大小和分布规律进行了计算分析，后续研究应找出现有设计中的抗震薄弱环节或部位，提出厂房结构抗震优化建议。