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河床式水电站厂房结构动力特性敏感性研究与抗震分析

作　者: 谷振东
导　师: 李守义
学　校: 西安理工大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 河床式水电站有限元厂房动力特性抗震分析
分类号: TV315
类　型: 硕士论文
年　份: 2009年
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内容摘要

河床式水电站水头比较低,而单机流量通常较大,这样的水电站厂房的进水口、蜗壳和尾水管等尺寸较大。其结构置于自然环境中,长期经受着持续变化的气温、日辐射及水温的影响,有可能导致结构内部应力发生显著变化,造成结构内部产生裂缝,影响结构的整体性和耐久性。复杂的厂房内水轮发电机组及各种附属设备和残酷的地震灾害,使得本来就“脆弱”的水电站厂房结构振动问题日益突出,同时也对水电站厂房结构的抗振设计提出了更高的要求。本文结合实际工程,以河床式水电站厂房坝段结构动力特性研究为基础,以厂房结构内部和外部振源分析为着手点。研究了各敏感性因素对水电站厂房结构动力特性的影响；研究了水轮发电机组及各种附属设备在运行过程中出现的激振力与结构之间可能发生共振问题；研究了地震荷载作用下机组厂房坝段结构的动力响应；分析了厂房的自振频率分布和在地震荷载下的应力分布。通过计算分析得出：厂房结构混凝土弹性模量增大使结构的自振频率相应增大,特别是高阶频率,地基弹性模量对各阶自振频率的影响均较小。当增加边界的约束,能有效提高水电站厂房结构的的结构刚度,抑制整体的低频振动。厂房的上部孔洞结构对厂房整体结构动力特性的影响不大,对整个结构自振频率影响较大的是廊道系统。蜗壳使得水电站厂房结构的刚度增大,频率增加。楼板设柱使水电站厂房结构的动力刚度得到了很大的提高,大幅提升了厂房结构的自振频率,并抑制了楼板的竖直向低频振动。梁对水电站厂房上部结构刚度贡献相对较小,但梁的存在使上部结构的整体性得到了加强,对楼板的局部振动,特别是高频局部振动有所抑制。从改善水电站厂房结构动力特性,避免共振的角度,在结构设计中布置柱、梁是非常重要。适当改善厂房结构,加大频率的错开度,使得产生共振的可能性进一步降低,对厂房结构进行加固,使结构具有更高的刚度和强度,避免振动破坏。基于振型分解反应谱法的抗震分析表明,在Ⅶ度地震荷载作用下,厂房各部位的应力基本都在合理范围内,不超过混凝土的承载极限,只有上游建基面附近区域出现了较大的拉应力。

全文目录

摘要  3-4
Abstract  4-8
1 绪论  8-16
  1.1 水电站厂房概述  8-10
    1.1.1 水电站厂房发展  8
    1.1.2 水电站厂房的振动问题  8-10
  1.2 国内外地震概况  10-12
  1.3 厂房结构动力分析的研究方法  12-13
  1.4 研究进展与背景  13-15
  1.5 本文主要研究内容  15-16
2 有限元理论与结构动力分析  16-26
  2.1 有限元法概述  16
  2.2 结构动力分析有限元法  16-18
  2.3 结构模态分析  18-22
  2.4 结构地震分析  22-26
3 电站厂房动力分析的ANSYS实现  26-38
  3.1 沙湾水电站工程概况  26-29
    3.1.1 基本资料  26-28
    3.1.2 区域地震情况  28-29
  3.2 ANSYS在水利工程中的应用  29-32
  3.3 ANSYS基本分析过程  32-35
    3.3.1 前处理(有限元模型的建立)  32-34
    3.3.2 加载与求解  34
    3.3.3 后处理(结果分析)  34-35
  3.4 沙湾水电站1#机组坝段计算模型  35
    3.4.1 计算模型及边界条件  35
    3.4.2 单元划分  35
  3.5 电站厂房结构动力分析流程  35-38
4 厂房动力特性影响因素研究  38-50
  4.1 材料弹性模量敏感性分析  38-41
  4.2 边界条件对动力特性的影响  41-43
  4.3 各种孔洞结构对动力特性的影响  43-44
  4.4 钢蜗壳和梁、柱结构对动力特性的影响  44-49
  4.5 本章小结  49-50
5 厂房振源机理分析及共振校核  50-59
  5.1 机组参数  50
  5.2 振源机理分析及其频率  50-55
    5.2.1 水力原因引起的振动  51-52
    5.2.2 机械原因引起的振动  52-53
    5.2.3 电气原因引起的振动  53-55
  5.3 共振校核  55-58
    5.3.1 共振校核标准  55-56
    5.3.2 共振校核结果分析  56-58
  5.4 防止共振的措施  58-59
6 厂房抗震分析  59-69
  6.1 厂房坝段动力有限元分析  59-60
    6.1.1 计算模型  59
    6.1.2 抗震分析模式  59-60
  6.2 地震动参数确定  60-61
  6.3 模态分析  61-62
  6.4 厂房坝段动态反应  62-63
  6.5 动力计算主要部位应力分析  63-69
7 总结与展望  69-71
  7.1 全文总结  69-70
  7.2 研究展望  70-71
致谢  71-72
参考文献  72-76
附录  76

河床式水电站厂房结构动力特性敏感性研究与抗震分析

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