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摘要：中国当前水电方面存在的问题还有很多。在设计和运行中秉承着科学发展观、创建和谐社会、走可持续发展路线的宗旨，坚持在关于水电站的振动问题上必须在技术方面做到安全可靠并有所创新，同时力求做到每一座水电站都达到安全、稳定、可靠的目标。因此，加强水电站厂房机墩结构加载方式及刚度的探究具有重要的意义。本文作者结合实际工作经验，对水电站厂房机墩结构加载方式及刚度进行了探究，具有一定的参考意义。
关键词：水电站厂房 机墩结构 加载方式 刚度
中图分类号：[TM622] 文献标识码：A 文章编号：
1.前言
进入21世纪以来，世界能源科技发生了根本性变化，发展可再生能源已成为各国确保能源发展和应对气候变化的重要战略。中国能源”十二五”规划首次提出一次能源消费总量控制目标，即初步定为41亿吨标煤.未来将大力发展水电，且核电到2015年实现4，000万装机的计划目标不变.事实上，从目前国内对煤炭和石油的巨大消费需求上来看，要完成这一控制目标难度很大.消费总量目标数字有可能提至42亿吨标煤，然而，在这种对能源强大的需求之下，靠核电、风电和太阳能等都无法满足主要的替代选择，因此要积极推动水电大力发展。
我国水能资源总量居世界首位，但开发总量仅占技术开发总量的35%左右，远远低于发达国家的60%一70%的水平。水电作为目前可再生和非化石能源中资源最丰富、技术最成熟，最经济的清洁能源，对低碳发展的贡献将会更加明显。水能资源的发展是国家优化能源结构，保护生态环境，促进民生改善，减少温室气体排放，实现可持续发展的重大战略。
中国当前水电方面存在的问题还有很多。主要由于在上世纪90年代，很多大的项目相继开工，但当时我们国家的前期工作做得却还不够深入。虽然到今天使我国己经具备了2亿千瓦左右的水电容量，但如此大的水能资源在加以利用的前期，出现一些问题也在所难免。我国水电事业的发展任重而道远，只要在设计和运行中秉承着科学发展观、创建和谐社会、走可持续发展路线的宗旨，坚持在关于水电站的振动问题上必须在技术方面做到安全可靠并有所创新，同时力求做到每一座水电站都达到安全、稳定、可靠的目标。因此，加强水电站厂房机墩结构加载方式及刚度的探究具有重要的意义。
2.水电站厂房机墩结构加载方式及刚度研究
机墩组合结构作为机组的主要支撑体系，其刚度和强度对机组的稳定性很重要，在承担机组的切向、径向和竖向动力荷载激励作用的同时，支撑机组的导轴承和推力轴承。当钢筋混凝土结构发生变形时，机组的轴线会发生偏移和倾斜，轴承间隙会发生一定的变化。倘若机墩支承刚度不足，导致大轴偏移过大、油膜失稳等，均会严重影响机组的安全稳定运行。因此机墩结构需要具有足够的刚度以满足机组安全运行要求。
根据《水电站厂房设计规范》（SL266—2001）规定在采用三维有限元法法计算机墩组合结构的振幅，应力时有两种方法，拟静力法和动力计算法。 采用拟静力法计算时，不考虑自重，静水压力等静荷载对机墩组合结构的影响，只考虑水轮发电机垂直，水平荷载，考虑一个动力系数之后施加在机墩组合结构上，以计算出来的位移，应力近似为该部位的动位移，动应力。通常该方法因受动力系数因素的影响，有一定的局限性，结果不甚精确。动力法计算时，近似认为作用在机组支撑结构的水平，垂直动荷载与机组的转频有关，将其近似视为简谐荷载，这样水电站厂房结构的动力响应计算可以通过谐响应分析来处理。在采用谐响应法计算时，不考虑动力系数，自重以及静水压力等静荷载的作用。
2.1 机组动荷载分析
根据《水电站厂房设计规范》（SL266-2001），作用在机组支撑结构上的荷载，应根据水轮发电机组的形式、结构及传力方式分析确定。一机组制造厂家通常对机墩组合结构的刚度提出一定的控制要求。即要求机组支撑结构必须有足够的刚度避免机组过大的摆动和不稳定。刚度的定义是指在一定荷载作用下机墩结构位移不超过 1mm。厂房设计规范提出了机墩振幅的控制标准（即垂直振幅长期组合不大于 0.1mm，短期不大于 0.15mm，水平横向与扭振振幅之和长期不大于 0.15mm，短期不大于 0.2mm）。机组动荷载主要通过上机架、下机架、顶盖、定子机座等传递到机墩结构，方向主要为径向、竖向和切向。机墩上的动荷载包括垂直动荷载、扭矩和水平离心力荷载，往往将荷载分配于各支承结点上进行计算，其中，垂直和扭矩动荷载可以等效为各支承结点上的竖向和切向力，且分布均匀；水平离心力作用则等效为各结点的径向力。
2.2水电站厂房机墩结构刚度分析
（1）拟静力法计算结果
根据《水电站厂房设计规范》（SL266—2001）规定，在采用拟静力法计算机墩组合结构的振幅时，不考虑自重，静水压力等静荷载的影响，只考虑机组水平向，垂向，切向等动荷载对结构的影响。计算中，水平，垂向荷载分别采用上节所计算出来的机组动荷载，并考虑 1.5 倍的动力系数。
（2）谐响应法结果
因机组支撑结构的刚度主要是针对机组轴系统的稳定性而定义的，是指机组动态工况下的结构支承刚度，故应将作用在机墩上的荷载考虑为动态激励。为此，在采用谐响应法计算时，假定作用在定子基础或者下机架基础的动荷载为简谐荷载。针对厂房整体有限元模型，计算频率范围 0-119Hz 下，机墩的共振频率以及下机架基础、上机架基础沿力作用方向的最大位移。定子基础和下机架基础在不同频率下沿力的作用方向的最大位移如图 1 所示。
图 1：定子基础和下机架基础在不同频率下竖向最大位移
由该图可知，定子基础和下机架基础在频率 32.95Hz 时，振动幅值均达到了最大，此频率即为机墩结构的共振频率。因机组转频 2.38Hz 和飞逸转频 4.67Hz均与下机架基础和定子基础的共振频率（32.95Hz）有足够的错开度，故发生共振的可能性极低。为近一步明确机墩组合结构的振动特性，在机组转频以及（2.38 Hz）以及飞逸转频（4.67 Hz）的激励荷载作用下，计算机墩结构的动位移。定子基础和下机架基础截面各工况竖向最大位移发生在左岸下机架基础截面，最大为 0.098mm，不同工况下水平向最大位移值出现在定子基础截面，最大值为 0.027mm，均小于规范规定的 0.1mm，满足现行水电站厂房设计规范中关于机墩振幅的控制标准（即垂直振幅长期组合不大于 0.1mm，短期不大于 0.15mm，水平横向与扭振振幅之和长期不大于 0.15mm，短期不大于 0.2mm）。
但计算值與实际测试值相比较大，这主要是由于计算采用的荷载较为明确单一，而实际机组运行中机墩结构承担的荷载较复杂，竖向动荷载的频率成分较多，但测试值和计算值均满足规范要求。因此，从抗振的角度判断，机组支撑结构的刚度可满足要求，且从工程角度讲该计算方法是偏于安全的。
3.小结
水电站厂房机墩组合结构是机组的主要支承体系，其刚度和强度对机组的稳定性至关重要。动态刚度复核时,定子基础截面和下机架基础截面上最大水平动位移出现的工况,与最大水平静位移出现的工况并不完全一致。并且最大动位移出现的工况随着荷载频率的变化而改变。
参考文献：
[1] 杨晓明.水电站机组振动及其与厂房的耦联振动研究[D].大连 ：大连理工大学，2006.
[2] 马震岳,沈成能,王溢波,等.红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究[J].水力发电学报，2002，76(2)：28-36.
[3] 刘未,马震岳.水电站新型板墙式混凝土机墩结构研究[J].水电能源科学，2005，23(1)：42-44.
[4] 宋志强 ，马震岳.小湾水电站机墩结构刚度分析[J].水电能源科学，2008，26(1)：119-122.
[5] 陈剑 ，姚新刚.洮河峡城水电站圆筒式机墩的谐响应分析[J].南水北调与水利科技，2008，6(2)：84-86.
[6] 杨静.水电站厂房机组支承结构振动分析及结构优化[D].大连 ：大连理工大学，2006.
[7] 李小进,申燕,蒋逵超,等.白莲河抽水蓄能电站机墩结构刚度分析[J].水电能源科学，2007，25(2)：53-56
关键词：水电站厂房 机墩结构 加载方式 刚度
中图分类号：[TM622] 文献标识码：A 文章编号：
1.前言
进入21世纪以来，世界能源科技发生了根本性变化，发展可再生能源已成为各国确保能源发展和应对气候变化的重要战略。中国能源”十二五”规划首次提出一次能源消费总量控制目标，即初步定为41亿吨标煤.未来将大力发展水电，且核电到2015年实现4，000万装机的计划目标不变.事实上，从目前国内对煤炭和石油的巨大消费需求上来看，要完成这一控制目标难度很大.消费总量目标数字有可能提至42亿吨标煤，然而，在这种对能源强大的需求之下，靠核电、风电和太阳能等都无法满足主要的替代选择，因此要积极推动水电大力发展。
我国水能资源总量居世界首位，但开发总量仅占技术开发总量的35%左右，远远低于发达国家的60%一70%的水平。水电作为目前可再生和非化石能源中资源最丰富、技术最成熟，最经济的清洁能源，对低碳发展的贡献将会更加明显。水能资源的发展是国家优化能源结构，保护生态环境，促进民生改善，减少温室气体排放，实现可持续发展的重大战略。
中国当前水电方面存在的问题还有很多。主要由于在上世纪90年代，很多大的项目相继开工，但当时我们国家的前期工作做得却还不够深入。虽然到今天使我国己经具备了2亿千瓦左右的水电容量，但如此大的水能资源在加以利用的前期，出现一些问题也在所难免。我国水电事业的发展任重而道远，只要在设计和运行中秉承着科学发展观、创建和谐社会、走可持续发展路线的宗旨，坚持在关于水电站的振动问题上必须在技术方面做到安全可靠并有所创新，同时力求做到每一座水电站都达到安全、稳定、可靠的目标。因此，加强水电站厂房机墩结构加载方式及刚度的探究具有重要的意义。
2.水电站厂房机墩结构加载方式及刚度研究
机墩组合结构作为机组的主要支撑体系，其刚度和强度对机组的稳定性很重要，在承担机组的切向、径向和竖向动力荷载激励作用的同时，支撑机组的导轴承和推力轴承。当钢筋混凝土结构发生变形时，机组的轴线会发生偏移和倾斜，轴承间隙会发生一定的变化。倘若机墩支承刚度不足，导致大轴偏移过大、油膜失稳等，均会严重影响机组的安全稳定运行。因此机墩结构需要具有足够的刚度以满足机组安全运行要求。
根据《水电站厂房设计规范》（SL266—2001）规定在采用三维有限元法法计算机墩组合结构的振幅，应力时有两种方法，拟静力法和动力计算法。 采用拟静力法计算时，不考虑自重，静水压力等静荷载对机墩组合结构的影响，只考虑水轮发电机垂直，水平荷载，考虑一个动力系数之后施加在机墩组合结构上，以计算出来的位移，应力近似为该部位的动位移，动应力。通常该方法因受动力系数因素的影响，有一定的局限性，结果不甚精确。动力法计算时，近似认为作用在机组支撑结构的水平，垂直动荷载与机组的转频有关，将其近似视为简谐荷载，这样水电站厂房结构的动力响应计算可以通过谐响应分析来处理。在采用谐响应法计算时，不考虑动力系数，自重以及静水压力等静荷载的作用。
2.1 机组动荷载分析
根据《水电站厂房设计规范》（SL266-2001），作用在机组支撑结构上的荷载，应根据水轮发电机组的形式、结构及传力方式分析确定。一机组制造厂家通常对机墩组合结构的刚度提出一定的控制要求。即要求机组支撑结构必须有足够的刚度避免机组过大的摆动和不稳定。刚度的定义是指在一定荷载作用下机墩结构位移不超过 1mm。厂房设计规范提出了机墩振幅的控制标准（即垂直振幅长期组合不大于 0.1mm，短期不大于 0.15mm，水平横向与扭振振幅之和长期不大于 0.15mm，短期不大于 0.2mm）。机组动荷载主要通过上机架、下机架、顶盖、定子机座等传递到机墩结构，方向主要为径向、竖向和切向。机墩上的动荷载包括垂直动荷载、扭矩和水平离心力荷载，往往将荷载分配于各支承结点上进行计算，其中，垂直和扭矩动荷载可以等效为各支承结点上的竖向和切向力，且分布均匀；水平离心力作用则等效为各结点的径向力。
2.2水电站厂房机墩结构刚度分析
（1）拟静力法计算结果
根据《水电站厂房设计规范》（SL266—2001）规定，在采用拟静力法计算机墩组合结构的振幅时，不考虑自重，静水压力等静荷载的影响，只考虑机组水平向，垂向，切向等动荷载对结构的影响。计算中，水平，垂向荷载分别采用上节所计算出来的机组动荷载，并考虑 1.5 倍的动力系数。
（2）谐响应法结果
因机组支撑结构的刚度主要是针对机组轴系统的稳定性而定义的，是指机组动态工况下的结构支承刚度，故应将作用在机墩上的荷载考虑为动态激励。为此，在采用谐响应法计算时，假定作用在定子基础或者下机架基础的动荷载为简谐荷载。针对厂房整体有限元模型，计算频率范围 0-119Hz 下，机墩的共振频率以及下机架基础、上机架基础沿力作用方向的最大位移。定子基础和下机架基础在不同频率下沿力的作用方向的最大位移如图 1 所示。
图 1：定子基础和下机架基础在不同频率下竖向最大位移
由该图可知，定子基础和下机架基础在频率 32.95Hz 时，振动幅值均达到了最大，此频率即为机墩结构的共振频率。因机组转频 2.38Hz 和飞逸转频 4.67Hz均与下机架基础和定子基础的共振频率（32.95Hz）有足够的错开度，故发生共振的可能性极低。为近一步明确机墩组合结构的振动特性，在机组转频以及（2.38 Hz）以及飞逸转频（4.67 Hz）的激励荷载作用下，计算机墩结构的动位移。定子基础和下机架基础截面各工况竖向最大位移发生在左岸下机架基础截面，最大为 0.098mm，不同工况下水平向最大位移值出现在定子基础截面，最大值为 0.027mm，均小于规范规定的 0.1mm，满足现行水电站厂房设计规范中关于机墩振幅的控制标准（即垂直振幅长期组合不大于 0.1mm，短期不大于 0.15mm，水平横向与扭振振幅之和长期不大于 0.15mm，短期不大于 0.2mm）。
但计算值與实际测试值相比较大，这主要是由于计算采用的荷载较为明确单一，而实际机组运行中机墩结构承担的荷载较复杂，竖向动荷载的频率成分较多，但测试值和计算值均满足规范要求。因此，从抗振的角度判断，机组支撑结构的刚度可满足要求，且从工程角度讲该计算方法是偏于安全的。
3.小结
水电站厂房机墩组合结构是机组的主要支承体系，其刚度和强度对机组的稳定性至关重要。动态刚度复核时,定子基础截面和下机架基础截面上最大水平动位移出现的工况,与最大水平静位移出现的工况并不完全一致。并且最大动位移出现的工况随着荷载频率的变化而改变。
参考文献：
[1] 杨晓明.水电站机组振动及其与厂房的耦联振动研究[D].大连 ：大连理工大学，2006.
[2] 马震岳,沈成能,王溢波,等.红石水电站厂房的机组诱发振动及抗振加固研究[J].水力发电学报，2002，76(2)：28-36.
[3] 刘未,马震岳.水电站新型板墙式混凝土机墩结构研究[J].水电能源科学，2005，23(1)：42-44.
[4] 宋志强 ，马震岳.小湾水电站机墩结构刚度分析[J].水电能源科学，2008，26(1)：119-122.
[5] 陈剑 ，姚新刚.洮河峡城水电站圆筒式机墩的谐响应分析[J].南水北调与水利科技，2008，6(2)：84-86.
[6] 杨静.水电站厂房机组支承结构振动分析及结构优化[D].大连 ：大连理工大学，2006.
[7] 李小进,申燕,蒋逵超,等.白莲河抽水蓄能电站机墩结构刚度分析[J].水电能源科学，2007，25(2)：53-56