地下厂房支撑结构动静力及闸室结构抗震分析
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摘要
本文分上、下两篇，上篇针对周宁水电站地下厂房结构动静力分析，为电站振幅校核和结构配筋提供了依据；下篇针对瀑布沟泄洪洞进口闸室的抗震分析，为闸室结构的动力校核和结构配筋提供了依据，研究成果为设计所采纳。本文主要研究内容和研究成果概括如下：
1．周宁水电站地下厂房支撑结构利用围岩少，采用悬式发电机组，支撑结构上部受力，结构体型单薄，高水头、高转速，挪威新型的水轮机安装方式，采用下拆方式检修，在蜗壳外包混凝土上开孔等对结构抗振的诸多不利因素。本文采用模态分析和瞬态动力学分析方法，对无梁厚板和板梁柱方案对比计算，提出了优选方案，分析了不同工程处理措施的作用，进行了多模型、多工况的整体结构三维动静力分析，假定了不同的约束、阻尼、积分时间步长等条件进行了瞬态分析，给出了机组运行的共振校核、振幅校核和瞬态动力响应，并进行敏感性分析，分析了结构振动振源，提出了工程合理的处理措施和结构型式。
2．运用反应谱法对瀑布沟泄洪洞闸室结构进行了抗震分析，对闸室与地基、水体的相互作用作了合理假定，地震作用效应的计算结果表明，Y向地震较X向影响大，局部存在应力集中现象，对拟静力法和反应谱动力法计算结果作了对比。按极限状态进行了抗震分析，对抗震的薄弱部位，设计应考虑从结构体型、混凝土标号、加强配筋等方面采取措施，可保证结构抗震安全。
本文运用通用有限元分析软件，紧密结合工程实际，编制相应的APDL命令流，研究成果得出了一些有益的结论，对其他类似工程有一定的参考价值。最后，对全文做了总结，展望了有待更进一步研究的问题。
The paper is compsed of two parts. The first part is about the static and dynamic analysis of underground powerhouse structure of Zhouning hydroelectric power station. The study results provid the rule of amplitude calibration and reinforcing steel bar configure for the powerstation. The second part is about the aseismic analysis of lock chamber of Pubugou hydroelectric power station. The study results offer the rule of designing of lock chamber structure. The designers adopt the results to improve the design work. The main contents and researched results are as follows:
1. The underground powerhouse of Zhouning power station utilizes the wall rock little. The new water-wheel type was used in the high water head and high rotation speed turbine unit in the underground powerhouse of Zhouning power station. The dynamic response of concrete supporting of water-wheel generator was analysised with 3D FEM. By comparing the schemes of thick board and board beam . columniation, vibration characteristics of the supporting structure was given. Author puts forward the prior scheme and analyses the function of the diverse engineering measures, then performs the three-dimentional the static and dynamic analysis aimming at different models and run conditions. Assuming diverse constrains damp integration time steps, author performs the transient analysis and gives the results of consonance verification and transient dynamic response of the unit run, furthermore, deals with the analysis of sensitivity and discuss the resourse of vibration. Finally, auther produces the rational disposal meas
ures and structure form.
2. Managing the method of response spectrum and performing the aseismic analysis of lock chamber structure of Pubugou hydroelectric power station. With the precondition of the rational presupposition of interaction effect among the lock chamber base of foundation, water, the analytical results of seismic action effect make clear that the seism of Y direction produces more severe effect than X direction. There is concentration of stress in local. According to aseismic analysis of limit condition, the designers should take measures to guarantee the aseismic safety of the structure from the aspect of the structure bodily form concrete label reinforcing steel bar configure ect.
This paper mobilization universal soft of finite element analyse, and it is combined with the practical project. Command program in APDL computer
language is compiled about the numerical analysis. Some beneficial conclusions were obtained, which have some reference value for other similar projects. Finally, a summary is given and some problems to be further studied are discussed.
1．周宁水电站地下厂房支撑结构利用围岩少，采用悬式发电机组，支撑结构上部受力，结构体型单薄，高水头、高转速，挪威新型的水轮机安装方式，采用下拆方式检修，在蜗壳外包混凝土上开孔等对结构抗振的诸多不利因素。本文采用模态分析和瞬态动力学分析方法，对无梁厚板和板梁柱方案对比计算，提出了优选方案，分析了不同工程处理措施的作用，进行了多模型、多工况的整体结构三维动静力分析，假定了不同的约束、阻尼、积分时间步长等条件进行了瞬态分析，给出了机组运行的共振校核、振幅校核和瞬态动力响应，并进行敏感性分析，分析了结构振动振源，提出了工程合理的处理措施和结构型式。
2．运用反应谱法对瀑布沟泄洪洞闸室结构进行了抗震分析，对闸室与地基、水体的相互作用作了合理假定，地震作用效应的计算结果表明，Y向地震较X向影响大，局部存在应力集中现象，对拟静力法和反应谱动力法计算结果作了对比。按极限状态进行了抗震分析，对抗震的薄弱部位，设计应考虑从结构体型、混凝土标号、加强配筋等方面采取措施，可保证结构抗震安全。
本文运用通用有限元分析软件，紧密结合工程实际，编制相应的APDL命令流，研究成果得出了一些有益的结论，对其他类似工程有一定的参考价值。最后，对全文做了总结，展望了有待更进一步研究的问题。
The paper is compsed of two parts. The first part is about the static and dynamic analysis of underground powerhouse structure of Zhouning hydroelectric power station. The study results provid the rule of amplitude calibration and reinforcing steel bar configure for the powerstation. The second part is about the aseismic analysis of lock chamber of Pubugou hydroelectric power station. The study results offer the rule of designing of lock chamber structure. The designers adopt the results to improve the design work. The main contents and researched results are as follows:
1. The underground powerhouse of Zhouning power station utilizes the wall rock little. The new water-wheel type was used in the high water head and high rotation speed turbine unit in the underground powerhouse of Zhouning power station. The dynamic response of concrete supporting of water-wheel generator was analysised with 3D FEM. By comparing the schemes of thick board and board beam . columniation, vibration characteristics of the supporting structure was given. Author puts forward the prior scheme and analyses the function of the diverse engineering measures, then performs the three-dimentional the static and dynamic analysis aimming at different models and run conditions. Assuming diverse constrains damp integration time steps, author performs the transient analysis and gives the results of consonance verification and transient dynamic response of the unit run, furthermore, deals with the analysis of sensitivity and discuss the resourse of vibration. Finally, auther produces the rational disposal meas
ures and structure form.
2. Managing the method of response spectrum and performing the aseismic analysis of lock chamber structure of Pubugou hydroelectric power station. With the precondition of the rational presupposition of interaction effect among the lock chamber base of foundation, water, the analytical results of seismic action effect make clear that the seism of Y direction produces more severe effect than X direction. There is concentration of stress in local. According to aseismic analysis of limit condition, the designers should take measures to guarantee the aseismic safety of the structure from the aspect of the structure bodily form concrete label reinforcing steel bar configure ect.
This paper mobilization universal soft of finite element analyse, and it is combined with the practical project. Command program in APDL computer
language is compiled about the numerical analysis. Some beneficial conclusions were obtained, which have some reference value for other similar projects. Finally, a summary is given and some problems to be further studied are discussed.
引文
【1】 A.K.Chopra,C-Y.Liaw,.Earthquake resisitant design of intake-outlet towers. J.struct.div.ASCE101.1349-1366(1975)
【2】E.L. Wilson, A.Der Kiureghian and E.P.Bayo: A Replacement for the SRSS Method in Seismic Analysis. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. Vol.9, 1981
【3】ANSYS,Inc.ANSYS APDL Programmer's Guide.For th Edit ion.SAS, IP Inc. 1999.
【4】 ANSYS,Inc.ANSYS Commands Reference.For th Ed i t ion.SAS,IP Inc. 1999.
【5】 ANSYS,Inc.ANSYS Mode 1 ing and Meshing Guide.For th Edit ion.SAS,IP Inc. 1999
【6】K.J. Bather, Finit Element Proedures in Engineering Analysis, 1982.
【7】杨桂通．弹性力学[M]．北京：人民教育出版社，1980
【8】朱伯芳．有限单元法原理与应用．水利电力出版社，1979．8
【9】王勖成，邵敏．有限单元法基本原理和数值方法．清华大学出版社，1997．3
【10】徐芝伦．弹性力学简明教程．高等教育出版社，1983
【11】河海大学．弹性问题的有限元法．水利出版社，1982
【12】吴家龙．弹性力学(新一版)．同济大学出版社，1987．8
【13】卓家寿．弹性力学中的有限元法．高等教育出版社，1987
【14】龙驭球，包世华．结构力学(下册)．高等教育出版社，1996
【15】张汝清等．计算结构动力学．重庆大学出版社，1987年
【16】[美]M．帕兹著．结构动力学——理论与计算．北京：地震出版社，1993
【17】杜平安，有限元网格划分的基本原则．机械设计与制造，2000，1
【18】陈造奎主编．水力机组安装与检修．北京：中国水利水电出版社，1997，9
【19】顾鹏飞，喻远光．水电站厂房设计．北京：水利电力出版社，1987，7
【20】华东水利学院．水电站电气部分．北京：电力工业出版社，1990
【21】刘涛，杨凤鹏主编．精通ANSYS．北京：清华大学出版社，2002．11
【22】朱以文，顾伯达．天荒坪电站地下厂房结构动静力分析及设计．水力发电，1998年第8期
【23】王俊红，黄勇．地下厂房结构振动研究及减振措施．水利水电，2001．2
【24】何发祥，刘浩吾．有限元法前处理技术的发展．水利水电科技进展，2000，20(6)：15-18
【25】吕军，王忠金，王仲仁．有限元六面体网格的典型生成方法及发展趋势．
【26】蒋浩氏，刘润广，王忠金等．基于映射法的三维有限元网格自动划分．
【27】吕永明．莲花水电站厂房机墩风罩结构的分析．水力发电，1997年第5期
【28】杜晓京．地下厂房机组支撑结构震动观测与分析．水力发电，1999年第2期
【29】马震岳，董毓新等．三峡水电站厂房结构动力分析与优化．水电能源科学，2000,Vol．18No．3
【30】王文宁．岩滩水电站厂房结构振动计算分析．红水河，1999年第18卷第1期
【31】黎建康．岩滩电厂机组异常振动试验分析．广西电力技术，1996年第3期
【32】刘存禄．小浪底水利枢纽进水塔群抗震设计．人民黄河，1995年6期．
【33】徐干成，白洪才，郑颖人，刘朝．地下工程支护结构．北京：中国水利水电出版社，2002
【34】杨述仁等编．地下水电站厂房设计．北京：水利电力出版社，1993
【35】水利水电科学研究院等编．岩石力学参数手册．北京：水利电力出版社，1991
【36】郑颖人，龚晓南．岩土塑性力学基础．北京：中国建筑工业出版社，1989
【37】马善定，汪如泽主编．水电站建筑物．北京：中国水利水电出版社，1996
【38】徐秉业，刘信声．应用弹塑性力学．清华大学出版社，1996
【39】潘家铮．重力坝设计．水利电力出版社，1987
【40】秦荣．计算结构力学．科学出版社，2001
【41】陆伟民，刘雁．结构动力学及其应用．同济大学出版社，1996
【42】董毓新，李彦硕．水电站建筑物结构分析．大连理工大学出版社，1995
【43】董毓新．水轮发电机组振动．大连：大连理工大学出版社，1989
【44】邹经湘．结构动力学．哈尔滨工业大学出版社，1996
【45】倪汉根，金崇磬．大坝抗震特性与抗震计算．大连理工大学出版社，1994
【46】金钟元．水力机械(陕西机械学院)．水利电力出版社，1992
【47】董哲仁．钢筋混凝土非线性有限元法原理与应用．中国铁道出版社，1993
【48】陈精一，蔡国忠．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．北京：中国铁道出版社，2001
【49】王银志．水电站高耸进水塔结构的抗震分析．大连理工大学硕士学位论文．2003年3月
【50】赵德海．巨型压力钢管取消伸缩节研究及厂房结构静动力分析．大连理工大学博士学位论文，2001年5月
【51】张伯艳，杨佳梅．小浪底水利枢纽进水塔的动静力分析．土木工程学报[J]，
1993．26(1)．1～6．
【52】周鸿钧，张五岳．大型进水塔的三维有限元动力分析．郑州工学院学报[J]，1992．13(3)．1～6．
【53】胡良明，董跃星等．小浪底水利枢纽3号进水塔架的静动力分析．郑州工业大学学报[J]，1998,19(4)
【54】乐金朝，谷胜利等．小浪底南岸进水塔结构抗震性能分析．世界地震工程，2002．Vol．18,No．4
【55】陈厚群．混凝土坝的抗震设计准则．中国地震工程进展，北京：地震出版社，1992．
【56】陈厚群，侯顺载等．拱坝抗震可靠度设计的研究．西北水电，1996．2
【57】水电站厂房设计规范．北京：中华人民共和国水利部发布，2001-04-01实施
【58】水工混凝土结构设计规范．北京：中华人民共和国水利部发布，1997-05-01实施
【59】中华人民共和国水利电力部，水电站压力钢管设计规范(试行)SD144-85．北京：水利电力出版社，1985
【60】水工建筑物抗震设计规范．北京：中华人民共和国国家经济贸易委员会发布，2001-01-01实施
【2】E.L. Wilson, A.Der Kiureghian and E.P.Bayo: A Replacement for the SRSS Method in Seismic Analysis. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. Vol.9, 1981
【3】ANSYS,Inc.ANSYS APDL Programmer's Guide.For th Edit ion.SAS, IP Inc. 1999.
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【12】吴家龙．弹性力学(新一版)．同济大学出版社，1987．8
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【15】张汝清等．计算结构动力学．重庆大学出版社，1987年
【16】[美]M．帕兹著．结构动力学——理论与计算．北京：地震出版社，1993
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【44】邹经湘．结构动力学．哈尔滨工业大学出版社，1996
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【46】金钟元．水力机械(陕西机械学院)．水利电力出版社，1992
【47】董哲仁．钢筋混凝土非线性有限元法原理与应用．中国铁道出版社，1993
【48】陈精一，蔡国忠．电脑辅助工程分析ANSYS使用指南．北京：中国铁道出版社，2001
【49】王银志．水电站高耸进水塔结构的抗震分析．大连理工大学硕士学位论文．2003年3月
【50】赵德海．巨型压力钢管取消伸缩节研究及厂房结构静动力分析．大连理工大学博士学位论文，2001年5月
【51】张伯艳，杨佳梅．小浪底水利枢纽进水塔的动静力分析．土木工程学报[J]，
1993．26(1)．1～6．
【52】周鸿钧，张五岳．大型进水塔的三维有限元动力分析．郑州工学院学报[J]，1992．13(3)．1～6．
【53】胡良明，董跃星等．小浪底水利枢纽3号进水塔架的静动力分析．郑州工业大学学报[J]，1998,19(4)
【54】乐金朝，谷胜利等．小浪底南岸进水塔结构抗震性能分析．世界地震工程，2002．Vol．18,No．4
【55】陈厚群．混凝土坝的抗震设计准则．中国地震工程进展，北京：地震出版社，1992．
【56】陈厚群，侯顺载等．拱坝抗震可靠度设计的研究．西北水电，1996．2
【57】水电站厂房设计规范．北京：中华人民共和国水利部发布，2001-04-01实施
【58】水工混凝土结构设计规范．北京：中华人民共和国水利部发布，1997-05-01实施
【59】中华人民共和国水利电力部，水电站压力钢管设计规范(试行)SD144-85．北京：水利电力出版社，1985
【60】水工建筑物抗震设计规范．北京：中华人民共和国国家经济贸易委员会发布，2001-01-01实施
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