某電站安裝間梁板結(jié)構(gòu)與厚板加肋結(jié)構(gòu)三維靜動(dòng)力對(duì)比分析

葛 瑤

（陜西省水利電力勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，陜西 西安 710001）

1 前言

厚板結(jié)構(gòu)在廠房設(shè)計(jì)中鮮有用到，廠房設(shè)計(jì)采用梁、板結(jié)構(gòu)較多。雖然厚板結(jié)構(gòu)在布置上有很多優(yōu)勢(shì)：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)潔，機(jī)、電設(shè)備的開孔位置及大小調(diào)整對(duì)樓板布置影響較小，便于施工，對(duì)于某些設(shè)備布置對(duì)空間要求高、而廠房高度尺寸略顯緊張的設(shè)備室可以增加其有效空間。但是這種布置方式對(duì)廠房整體結(jié)構(gòu)受力有何優(yōu)勢(shì)，需要進(jìn)一步通過計(jì)算分析來確定。本文考慮到廠房跨度較大，純厚板結(jié)構(gòu)的板的厚度過厚，因此將厚板結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整為厚板加肋結(jié)構(gòu)。

2 計(jì)算方法

采用大型通用有限元軟件ANSYS 進(jìn)行分析研究。其中結(jié)構(gòu)靜力分析采用線彈性本構(gòu)模型，采用整體模型SOLID65 單元進(jìn)行模擬。單元應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系的總剛度矩陣表達(dá)式為[1-2]：

式中：Nr為加固材料的數(shù)目；為加固物的體積率； ［DC］為混凝土的剛度矩陣。

動(dòng)力分析采用模態(tài)分析法，模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)或機(jī)器部件的振動(dòng)特性（固有頻率和振型），固有頻率和振型是承受動(dòng)態(tài)何在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要參數(shù)。結(jié)構(gòu)用有限單元離散化后的運(yùn)動(dòng)方程可表示為[3]：

式中：[M]、[C]、[K]為質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣；{F（t）}為動(dòng)力荷載；{u}為節(jié)點(diǎn)位移。

3 工程案例

某電站廠房屬2 級(jí)建筑物，主廠房?jī)?nèi)布置2 臺(tái)立式混流式水輪發(fā)電機(jī)組和2 臺(tái)單級(jí)立軸混流式水泵水輪機(jī)組—發(fā)電電動(dòng)機(jī)組，主機(jī)間由4 臺(tái)機(jī)組“一”列式布置，副廠房位于主廠房上游側(cè)，安裝間位于主機(jī)間一側(cè)，在安裝間上游側(cè)布置有供水閥室，閥室內(nèi)布置2 臺(tái)DN2000 減壓調(diào)流閥，并設(shè)一臺(tái)32/5 t 橋式起重機(jī)，單獨(dú)用于閥室內(nèi)工作（本文計(jì)算的是安裝間，工程概況著重對(duì)安裝間的布置及尺寸進(jìn)行描述）。

安裝間是機(jī)組安裝和檢修時(shí)擺放、組裝和檢修主要部件的場(chǎng)地。安裝間結(jié)構(gòu)見圖1 和圖2。

圖1 厚板加肋結(jié)構(gòu)平面布置圖

圖2 梁板結(jié)構(gòu)平面布置圖

梁板結(jié)構(gòu)與厚板加肋結(jié)構(gòu)的尺寸見表1。結(jié)構(gòu)物理學(xué)參數(shù)見表2。

表1 計(jì)算結(jié)構(gòu)參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

本文旨在研究?jī)煞N結(jié)構(gòu)在靜力與動(dòng)力作用下的結(jié)構(gòu)優(yōu)勢(shì)，故在計(jì)算中靜力計(jì)算參考《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL 744-2016）中相關(guān)要求取樓面活荷載60 kN/m2；動(dòng)力工況考慮模擬地震力作用，地震烈度為Ⅷ度，場(chǎng)地類別為三類，計(jì)算方法為振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算工況見表3。

表3 計(jì)算工況與荷載

建立安裝間整體結(jié)構(gòu)的三維有限元仿真計(jì)算模型，模型的坐標(biāo)原點(diǎn)取廠橫0-010.50 與廠縱0+000.00 交點(diǎn)安裝間結(jié)構(gòu)底部處。X 軸為廠縱方向，Y 軸為廠橫方向，Z 軸為鉛直向。計(jì)算模型采用solid 65 六面體塊單元。有限元模型見圖3，荷載分布見圖4。

圖3 有限元計(jì)算網(wǎng)格模型

圖4 荷載分布圖

4 結(jié)果分析

4.1 靜力計(jì)算結(jié)果分析

梁板結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見圖5～圖8。

圖5 梁板結(jié)構(gòu)X 向應(yīng)力云圖

圖6 梁板結(jié)構(gòu)Y 向應(yīng)力云圖

圖7 梁板結(jié)構(gòu)Z 向應(yīng)力云圖

圖8 梁板結(jié)構(gòu)總位移云圖

厚板加肋結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見圖9～圖12。

圖9 厚板加肋結(jié)構(gòu)X向應(yīng)力云圖

圖10 厚板加肋結(jié)構(gòu)Y向應(yīng)力云圖

圖11 厚板加肋結(jié)構(gòu)Z 向應(yīng)力云圖

圖12 厚板加肋結(jié)構(gòu)總體位移云圖

梁板與厚板結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力分布見表4。

應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表明，兩種結(jié)構(gòu)的受力一致，應(yīng)力分布基本規(guī)律一致，厚板加肋結(jié)構(gòu)整體應(yīng)力水平較薄板結(jié)構(gòu)減小?？傮w變形梁板結(jié)構(gòu)2.384 mm，厚板加肋機(jī)構(gòu)1.983 mm，隨著計(jì)算中結(jié)構(gòu)剛度的增加，總變形減小。

整理兩種結(jié)構(gòu)的配筋計(jì)算，結(jié)果見表5。根據(jù)體型，計(jì)算兩種結(jié)構(gòu)的工程量以及各結(jié)構(gòu)中梁板的配筋面積，見表6。通過表6 可以看出，厚板結(jié)構(gòu)較梁板結(jié)構(gòu)的混凝土量增加4%，受力鋼筋配筋面積減少24%。從投資角度考慮，明顯厚板加肋結(jié)構(gòu)在保證了結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上更優(yōu)。結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一方面要保證結(jié)構(gòu)的安全，也要根據(jù)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)采用最合適的結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于安裝間采用厚板結(jié)構(gòu)，不僅與梁板結(jié)構(gòu)的工程量相當(dāng)，而且對(duì)于設(shè)計(jì)和施工都更便捷。

表5 配筋計(jì)算結(jié)果表

表6 投資對(duì)比表

4.2 地震工況計(jì)算結(jié)果分析

梁板結(jié)構(gòu)地震工況計(jì)算結(jié)果見圖13，厚板加肋結(jié)構(gòu)地震工況計(jì)算結(jié)果見圖14。

圖13 梁板結(jié)構(gòu)地震工況計(jì)算結(jié)果

圖14 厚板加肋結(jié)構(gòu)地震工況計(jì)算結(jié)果

圖15 梁板結(jié)構(gòu)地震工況計(jì)算模態(tài)圖

圖16 厚板加肋結(jié)構(gòu)地震工況計(jì)算模態(tài)圖

梁板結(jié)構(gòu)地震工況模態(tài)計(jì)算結(jié)果見圖15，厚板加肋結(jié)構(gòu)地震工況模態(tài)計(jì)算結(jié)果見圖16。

整理兩種結(jié)構(gòu)靜力，動(dòng)力以及靜動(dòng)力疊加三種工況的計(jì)算結(jié)果，厚板加肋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較梁板結(jié)構(gòu)均減小。地震對(duì)安裝間下部水機(jī)副廠房這樣剛度較大的結(jié)構(gòu)，影響不大，開孔周圍應(yīng)力水平受地震影響增大，梁應(yīng)力較之前略微增大，不影響結(jié)構(gòu)。

配筋計(jì)算結(jié)果見表7。根據(jù)動(dòng)力計(jì)算結(jié)果整理了前20 階頻率，見表8，對(duì)比曲線見圖17。分析可知：兩種模型的振型基本一致，厚板加肋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率大于梁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體抗振剛度有一定的提高，厚板加肋結(jié)構(gòu)在防止結(jié)構(gòu)發(fā)生共振方面優(yōu)于梁板結(jié)構(gòu)。

表7 配筋計(jì)算結(jié)果表

圖17 兩種結(jié)構(gòu)頻率對(duì)比曲線

表8 兩種結(jié)構(gòu)頻率對(duì)比表

5 結(jié)論

1）靜力分析結(jié)果表明：兩種結(jié)構(gòu)形式的應(yīng)力分布規(guī)律基本一致，梁與板的最大拉應(yīng)力出現(xiàn)部位基本一致。厚板加肋結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平較梁板結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平小，配筋面積小于梁板結(jié)構(gòu)。采用厚板加肋結(jié)構(gòu)對(duì)結(jié)構(gòu)的安全布置更有利。

2）動(dòng)力分析結(jié)果表明：與靜力分析結(jié)果相比較，地震對(duì)結(jié)構(gòu)整體的應(yīng)力影響不大，對(duì)樓板局部（孔邊）薄弱部位有一定的影響，厚板加肋結(jié)構(gòu)在開孔部位出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，這個(gè)部位考慮布置暗梁可以滿足要求。兩種模型的振型基本一致，厚板加肋結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率大于梁板結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的整體抗震剛度有一定的提高。

3）因廠房的振源主要來源于機(jī)組的振動(dòng)頻率，與短路、飛逸等工況的振動(dòng)頻率以及流道內(nèi)的脈動(dòng)壓力有關(guān)，此次選擇安裝間作為計(jì)算模型只對(duì)靜力計(jì)算與地震作用有一定的代表性，進(jìn)行主機(jī)間的動(dòng)力計(jì)算分析才是解決廠房振動(dòng)問題的核心任務(wù)。

通過對(duì)安裝間的梁板結(jié)構(gòu)與厚板加肋結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比分析，得出更優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，厚板加肋結(jié)構(gòu)更適合電站廠房的設(shè)計(jì)，一方面提高了廠房的安全性能，另一方面節(jié)省了工程成本，方便施工，提高空間利用率，對(duì)國(guó)內(nèi)類似工程具有參考和借鑒意義。