水電站進(jìn)水塔啟閉機(jī)房排架振動(dòng)特性

黨康寧 劉云賀 王媛 張小剛

摘要：理論和震害均表明水電站進(jìn)水塔頂部的啟閉機(jī)房排架由于鞭梢效應(yīng)更容易遭受地震破壞。分析塔式進(jìn)水塔主要受力特點(diǎn)，將進(jìn)水塔和其上的啟閉機(jī)房排架簡化為兩種分布參數(shù)梁模型，采用解析方法推導(dǎo)和求解其頻率方程。統(tǒng)計(jì)啟閉機(jī)房排架與塔體高度范圍，根據(jù)抗彎剛度相等原則將塔上啟閉機(jī)房排架柱等效為單截面空腹柱，分析不同上下高度比和剛度、質(zhì)量比情況下6種模型振型振動(dòng)幅值比和頻率分布情況，得到相互之間影響規(guī)律。分析表明上部高度對(duì)結(jié)構(gòu)一階振型幅值比影響較大，而剛度比影響較小，但剛度比對(duì)高階振型幅值比影響顯著。經(jīng)過與數(shù)值分析對(duì)比，解析結(jié)果求得的結(jié)構(gòu)振型和頻率與數(shù)值結(jié)果較為一致，驗(yàn)證上述過程的正確性，表明本文方法對(duì)此類結(jié)構(gòu)基本振型求解簡單有效。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu)；進(jìn)水塔啟閉機(jī)房；振動(dòng)響應(yīng)；分布參數(shù)梁；鞭梢效應(yīng)

中圖分類號(hào)：TV312 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1672-1683（2016）04-0129-06

Abstract：Theory and earthquake induced damage show that the hoist room frame on intake tower of hydroelectric power station are more vulnerable to earthquake damage due to the whiplash effect.In this paper，the intake tower and the hoist room frame were simplified into two distribution parameter beam models by analysis of the basic mechanical characteristics of intake tower，and then the frequency equation was derived using analytic methods.After statistics of hoist room frame and tower height range and according to the principle of equal bending stiffness，the hoist room frame column was equivalent to a single section of the tower fasting column，then the vibration amplitude ratio and frequency distribution of six kinds of models under conditions of different height ratios and different stiffness-mass ratios were analyzed to get the influence rules between each other.The analysis showed that the height of the upper structure had greater influence on the vibration amplitude ratio of first modal shape，and smaller influence on the stiffness ratio，but the stiffness ratio was more significance.Compared with numerical analysis，structural vibration type and frequency by analytic results was relatively consistent with numerical results，verifying the correctness of the above procedure，and indicating that the analytical method for solving such fundamental mode structure was simple and effective.

Key words：hydraulic structure；hoist room frame on intake tower；vibration response；distribution parameter beam；whiplash effect

以往和汶川地震震害調(diào)查發(fā)現(xiàn)水電站進(jìn)水塔頂部的啟閉機(jī)房震時(shí)更容易遭受嚴(yán)重破壞，啟閉機(jī)房排架和墻體首先損壞失效，從而導(dǎo)致閘門的開啟問題[1-2]。進(jìn)水塔較高的啟閉室和較大的活荷載，塔體與塔頂排架的剛度和質(zhì)量變化劇烈有可能引起鞭梢效應(yīng)，這是工程設(shè)計(jì)中應(yīng)該避免的。已有學(xué)者對(duì)壩體上的高柔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究[3-5]，相比大壩，進(jìn)水塔本身為高聳結(jié)構(gòu)，外加啟閉機(jī)房后可能達(dá)到百米高度，對(duì)于這兩者在地震時(shí)的相互影響鮮有研究。在設(shè)計(jì)初期了解進(jìn)水塔和其頂部結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性，合理設(shè)計(jì)頂部結(jié)構(gòu)的質(zhì)量和高度從而避免或減弱共振的發(fā)生具有重要參考價(jià)值。本文抓住塔式進(jìn)水塔主要受力特點(diǎn)，通過等效公式將進(jìn)水塔和頂上結(jié)構(gòu)等效為分布參數(shù)梁體系，引入解析方法研究啟閉機(jī)房排架結(jié)構(gòu)存在時(shí)上下結(jié)構(gòu)的振動(dòng)影響，為進(jìn)水塔抗震設(shè)計(jì)作初步探索。

1 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)受力特點(diǎn)

塔式進(jìn)水塔一般為高聳直立懸臂結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)抗彎剛度相對(duì)較柔，風(fēng)荷載和地震作用等橫向荷載起主導(dǎo)作用。塔體頂部的啟閉機(jī)排架由梁、板、柱和墻構(gòu)成，高度可達(dá)幾十米，相對(duì)于塔身，排架柱結(jié)構(gòu)剛度和質(zhì)量變小，突變明顯，空間剛度變?nèi)跏沟眠@些部位的局部振動(dòng)極易被激發(fā)。在地震作用下產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，加速度沿塔身高度放大，啟閉機(jī)房排架在塔頂振動(dòng)的激勵(lì)下產(chǎn)生二次振動(dòng)，其擺動(dòng)幅度遠(yuǎn)大于獨(dú)立排架反應(yīng)，地震作用下變形過大將導(dǎo)致梁、柱和墻的破壞。研究發(fā)現(xiàn)，由排架柱組成的上部結(jié)構(gòu)第一階自振頻率一般在1～5 Hz，場(chǎng)地卓越周期一般為0.1～0.7 s，頻率為1.4～10 Hz，因此，地面振動(dòng)容易導(dǎo)致頻率接近的上部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生共振，兩者頻率越接近，位移反應(yīng)越明顯。因此，塔上啟閉機(jī)房排架成為進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震的薄弱部位。

以往對(duì)進(jìn)水塔的研究主要著眼于塔體本身的變形、應(yīng)力、穩(wěn)定、損傷等方面[6-11]，對(duì)于附屬的啟閉機(jī)排架、工作橋等結(jié)構(gòu)或忽略其影響或以集中質(zhì)量、荷載形式施加，因此靜動(dòng)力分析中不能反映出這些附屬結(jié)構(gòu)的狀態(tài)以及和塔體的相互作用。震害表明，這些結(jié)構(gòu)反而是結(jié)構(gòu)薄弱部位，研究附屬結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)相互影響是必要的。對(duì)鞭梢效應(yīng)成因的研究都基于兩質(zhì)點(diǎn)模型[12-13]，對(duì)于房屋、廠房等質(zhì)量分布集中的結(jié)構(gòu)，這能夠簡化模型，快速有效得到分析結(jié)果。塔式進(jìn)水塔為鋼筋混凝土材料的高聳結(jié)構(gòu)，沿高度體型和質(zhì)量按規(guī)律變化，在強(qiáng)震時(shí)受地震慣性力和動(dòng)水壓力的側(cè)力作用下，主體結(jié)構(gòu)主要表現(xiàn)為受彎形態(tài)，進(jìn)水塔的抗震計(jì)算模式可作為變截面懸臂梁采用材料力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算[14-17]。

將進(jìn)水塔塔體等效為具有分布質(zhì)量的變截面梁，分別研究將啟閉機(jī)房排架作為集中質(zhì)量施加到塔體頂部和將啟閉機(jī)房排架等效為實(shí)腹柱兩種情況，討論其沿水平方向的自由振動(dòng)問題。首先討論均質(zhì)等截面懸臂梁橫向彎曲的自由振動(dòng)。

2 橫向彎曲梁自由振動(dòng)方程、頻率方程

對(duì)于沿梁軸方向質(zhì)量分布均勻的等截面梁，其彎曲無阻尼自由振動(dòng)運(yùn)動(dòng)方程為[18]：

3 啟閉機(jī)房簡化模型及頻率方程

本節(jié)討論以下兩種情況進(jìn)水塔自振頻率。

模型一：啟閉機(jī)房排架換算重量后以集中質(zhì)量加在塔頂。

模型二：將啟閉機(jī)房排架柱等效為實(shí)腹柱后和塔體等效的梁組成突變截面梁。

3.1 啟閉機(jī)房排架柱等效方法

啟閉機(jī)房排架可被看作主次框架結(jié)構(gòu)，因此，模型二將柱簡化為具有等效軸向剛度、等效彎曲剛度及等效剪切剛度的等效實(shí)腹柱，簡化建模難度[19]。

3.2 進(jìn)水塔兩種梁模型和頻率方程

模型一簡化后示意圖見圖2（a）。按式（3）經(jīng)過等效后，模型二進(jìn)水塔塔體及其上的啟閉機(jī)房等效為上下分布質(zhì)量與剛度不同的兩段梁，見圖2（b）。因?yàn)榱悍譃樯稀⑾聝啥?，故下面公式中方程均分為上、下兩段，為書寫簡單，字母代表的參?shù)均只寫一個(gè)，用下標(biāo)n區(qū)分，n=1表示下段的結(jié)果，n=2表示上段的結(jié)果。

4 頻率方程求解及結(jié)果分析

4.1 頻率方程求解

基于梁彎曲振動(dòng)理論推導(dǎo)得到的頻率方程式（8）和式（13）屬超越方程，使用非線性代數(shù)方程尋根算法編制程序后可以求得各階固有頻率參數(shù)ai（i=1，2，3，…），將ai帶回可求得各系數(shù)之間的相對(duì)值，給定高度H1后帶入式（2）便可得到結(jié)構(gòu)的振型函數(shù)，帶入具體的慣性矩、均布質(zhì)量和彈模參數(shù)則可以得到結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率。

統(tǒng)計(jì)現(xiàn)有水電站進(jìn)水塔及其頂上啟閉機(jī)房高度發(fā)現(xiàn)，啟閉機(jī)房排架高度一般在10～40 m之間，占塔身高度的1/4～1/2左右，而側(cè)向剛度和質(zhì)量比塔身小很多。現(xiàn)令啟閉機(jī)房排架高度和塔體的高度比為cH，其抗彎剛度比為s、質(zhì)量此為sl。下面討論高度比cH為1/4、1/2，剛度和質(zhì)量比分別為1/2、1/4和1/10等6種情況時(shí)振型規(guī)律。表1為某塔式進(jìn)水塔的基本參數(shù)。

4.2 結(jié)果分析

對(duì)模型一和模型二根據(jù)4.1節(jié)方法、參數(shù)求解得到具體的振型函數(shù)和頻率。篇幅所限，圖3和圖4僅給出模型一、二在高度比為1/2，質(zhì)量比或剛度比為1/10時(shí)結(jié)構(gòu)的前5階振型。

模型一的振型與均質(zhì)懸臂梁的彎曲振型基本相似，但頂部的質(zhì)量會(huì)對(duì)頂部振型稍有改變，當(dāng)質(zhì)量越小時(shí)影響越小，因此，很難從振型上反映出啟閉機(jī)排架對(duì)塔體振型影響。

表2給出了模型二上下段不同高度、剛度比不同時(shí)前5階各振型振幅比值，經(jīng)典彈性理論中彎曲梁主振型函數(shù)為連續(xù)正弦函數(shù)，由上下兩根截面屬性不同的梁組成的結(jié)構(gòu)其彎曲自由振動(dòng)的幅值和振型函數(shù)受上下剛度比和高度比影響較大。上段柱與下段柱高度比決定了上段在各階振型圖波形的展開范圍，即假如下段振型為一個(gè)周期的波形，若上段高度為下段的1/4，則上段最多能展現(xiàn)1/4周期的波形圖；基本振型（一階）上下段振幅比值隨上下段高度比的增大值也增大；在高度比0.25～0.5，剛度比0.1～0.5范圍內(nèi)，上段與下段振幅值有一個(gè)最小比值，約為1.357 5；除一階振型外，上段與下段剛度比值減小時(shí)，其上下段振幅的比值增大。當(dāng)s最小即s=0.1時(shí)，上段結(jié)構(gòu)的振型幅值比下段大很多，特別是部分高階振型，最大振幅比達(dá)到7～8。產(chǎn)生了鞭梢效應(yīng)，當(dāng)s更小時(shí)，鞭梢效應(yīng)將更嚴(yán)重。

表3、表4分別給出了各情況下解析法求得的模型一和模型二的前5階自振頻率，由表可以看出，當(dāng)上段與下段的質(zhì)量比和剛度比變小時(shí)，模型一前5階頻率同階的頻率值均有增加，模型二前兩階同階頻率值增大，3階及以后的同階頻率值相近，變化不大。即不同剛度比對(duì)結(jié)構(gòu)的前幾階頻率影響較大，特別是一、二階頻率。模型二相同剛度比時(shí)，當(dāng)上下段的高度比增大時(shí)，頻率顯著減小，說明越高柔的結(jié)構(gòu)周期越長。模型一的基本頻率與模型二高度比1/2時(shí)較為接近，其它各階頻率幾乎都大于模型二的頻率。

利用有限元軟件中的實(shí)體單元對(duì)上文模型二進(jìn)行模擬。結(jié)果表明兩種方法得到的6種模型各階振型結(jié)果基本一致。表4對(duì)解析法和數(shù)值法求解得到自振頻率進(jìn)行了對(duì)比，可以看出，兩種方法求得的一階頻率值差異在0.5%左右，二階頻率值差異4%以內(nèi)，而數(shù)值方法得到高階振型頻率比解析解得到均要小一些。

5 結(jié)論

本文對(duì)頂部存在啟閉機(jī)房排架的水電站進(jìn)水塔振動(dòng)特性進(jìn)行了研究，采用分布參數(shù)體系兩段式懸臂梁簡化了含啟閉機(jī)房的進(jìn)水塔模型，使用解析方法得到模型的振型和自振頻率；探索了上下段不同高度、剛度、質(zhì)量比情況下振型和頻率的規(guī)律，得到以下結(jié)論。

（1）當(dāng)上段梁剛度遠(yuǎn)小于下段梁剛度時(shí)，上段更容易發(fā)生振動(dòng)，振動(dòng)幅度可能數(shù)倍于下段結(jié)構(gòu)。同時(shí)通過與數(shù)值模型振型與自振頻率對(duì)比分析表明，本文所提出的解析法對(duì)于求解這類結(jié)構(gòu)的基本頻率十分有效，為深入研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)問題提供基礎(chǔ)。

（2）將啟閉機(jī)房排架簡化為質(zhì)量元后忽略了其本身的變形和對(duì)塔體振型的影響，地震慣性力也發(fā)生改變，加速度不能從塔體頂部往上傳播，因此在研究進(jìn)水塔系統(tǒng)相互作用動(dòng)力特性時(shí)需考慮塔體附屬結(jié)構(gòu)的實(shí)際體型及其質(zhì)量、剛度特性。

（3）本文方法求解此類結(jié)構(gòu)自振頻率和振型與數(shù)值方法相比工作量少，且有較好吻合度，對(duì)于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期了解其振動(dòng)特性較為簡便。

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