泄流诱发水电站厂房振动机理及其隔振减振措施研究

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随着我国社会经济的快速发展,水利电力能源和水资源的迫切需求,我国正在筹建或已建的水利水电工程均为高坝或超高坝建筑物。在水利水电工程的建造过程中,会遇到诸多工程技术问题。另外,我国绝大部分的水资源均分布在西部高山峡谷地区,由于地形条件以及地质条件的影响,这些工程都存在同样的问题:高水头、大流量且地质条件复杂。这将高坝相关结构的设计、施工、运行和维护的难度加重,使高坝泄洪引起的振动问题更加突出。高坝泄洪时会产生巨大的水流脉动压力荷载从而引起结构和基础振动,能量通过地基沿着河谷上下游及两岸传播,诱发周边结构振动。本文主要从高坝泄洪的脉动压力荷载诱发的水电站厂房结构振动和水电站厂房上部排架与屋架结构耦合连接两个方面入手,研究其振动机理和传递路径,进行探讨上部结构的隔振减振措施。取得的主要研究成果如下:(1)以某水电站工程为实例,建立合理的有限元模型,采用数值模拟的方法,模拟泄洪诱发的水流脉动压力荷载作用下的厂房振动特性,结构振动反应特性表明,上部结构的刚度较低,其结构的抗振能力相对于下部结构而言相对较弱,所以对水电站厂房而言应将上部结构作为重点研究对象。由于厂房屋架位于厂房顶端,振动反应更为突出,厂房屋架振动及其减振也应成为研究的重点之一。由于屋架坐落在立柱或墙体的支座上,因此,厂房的屋面网架以及其与墙柱的连接位置是最容易发生振动甚至破坏的部位,故而厂房屋架与立柱的连接方式对厂房振动的影响成为关键问题之一。(2)在对泄流建筑物泄洪时对厂房的影响大小进行计算中,发现振动以顺流向振动和横流向振动为主,竖向振动较小。对溢洪道各段分别施加脉动荷载进行分析时,可以视为溢洪道泄流引起厂房振动的主要振源。网架振动的振源及传播途径是:振源为表孔泄洪、泄洪冲沙底孔泄洪和发电机组运转振动共同引起的宽频振动,表孔泄洪和右岸泄洪冲沙底孔泄洪的影响更大。厂房网架的振动响应主要是由下游墙顶的顺河向振动激励引起。(3)针对水电站厂房网架结构的振动特性,现阶段用到的消振减振措施,包括:放松支座螺母、采用板式橡胶支座、滚轴式滑动支座以及附加粘滞阻尼器。本文采用橡胶支座对连接处进行模拟,屋架的连接方式由铰支连接变为简支连接后,各个特征点处的最大位移都有大幅度降低。这说明,改变连接方式对厂房的减振效果是明显且有效的;改变屋架的连接方式不仅仅可以减轻屋架的振动,同时也可减小厂房其他部位结构的振动,对消减厂房整体结构振动具有积极作用,不会因为在泄洪的巨大水流脉动压力荷载作用下而对某个特定的部位造成振动和破坏。总而言之,本文是以某水电站为实例进行的探索性研究,对水电站厂房结构泄流诱发振动进行了计算分析,对水电站厂房的屋面网架以及其与墙柱的连接方式对其振动的影响进行了研究整理,且对高坝泄洪诱发水工结构及水电站厂房振动的机理和传递路径进行了探索,取得了定性的规律性认识和定量的计算评价结果,可以为泄洪诱发的振动问题和减振方法提供一定的研究基础和参考依据。
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