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摘要：机墩是发电机的支承结构，其作用是将发电机支承在预定位置上，将水轮发电机组的全部动、静荷载传到下部混凝土上，为机组的运行、维护、安装和检修创造条件。为了保证机组的正常运行，机墩必须有足够的强度和刚度以及良好的抗振性能。本文主要叙述了小山口水电站风罩机墩部分的结构计算过程，通过水利水电程序集G-29及H-10软件，对不同工况时的风罩机墩进行动、静荷载的分析计算及配筋计算。
关键词：小山口水电站；机墩；风罩；结构计算；
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
新疆小山口二级水电站工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县境内的开都河下游，距已建成的大山口水电站约18.5km。电站厂房区距和静县城约50km，距库尔勒市约95km，交通便利。小山口二级水电站开发任务为发电，供电范围为巴州电网，多余电力电量送新疆电网。小山口水电站厂房为无压引水式地面厂房，厂房位于开都河左岸滩地上。站装机容量为49.5MW，依据《水利水电工程等级划分及防洪标准》（SL252-2000），小山口二级水电站工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（Ⅰ）型，主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。主要建筑物有：引水闸、节制闸、引水渠道、排冰闸、溢流堰、溢流堰泄槽、前池、引水管道和电站厂房等。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000、《防洪标准》GB50201-94和《水电站引水渠道及前池设计规范》SL/T205-97，本工程主要建筑物的正常运用洪水重现期为50年一遇，非常运用洪水重现期为100年一遇。根据GB18306-2001（1/400万）《中国地震动参数区划图》，工程区地震动峰值加速度为0.2g，反应谱特征周期为0.4s，对应的地震基本烈度为8度。主要建筑物抗震设防烈度为8度。
本工程处在开都河左岸滩地及Ⅲ阶地上。根据地形地貌特征，将工程区划分为滩地区和阶地区两大类型。工程区揭露的地层为第四系松散堆积物（Q）及上第三系地层（N1）。工程区内基岩大部分被第四系冲洪积层所覆盖，仅在陡坎及冲沟内出露，物理地质现象不发育，主要表现形式以小规模的松散层崩塌为主。崩塌多见于冲沟两侧及陡坎前缘，规模很小，一般不会对工程造成影响。
厂房机墩风罩概况
小山口主厂房布置三台水轮发电机组，其尺寸为47.8m×22.10m×40.48m(长×宽×高)，安装间与主机段之间、2#和3#机组之间共设置两条永久变形缝。电站装机容量为3×16.5MW，采用型号为SF16.5—40/6000，水轮机型号为HLA551C—LJ—300。
机墩是发电机的支承结构，立式机组的支墩承受水轮发电机的巨大的动、静荷载。圆筒式机墩具有刚度大、抗压、抗振、抗扭等良好性能，且结构简单，施工方便。圆筒式发电机层与机墩风罩的连接方式一般有整体式、简支式、分离式，而整体式连接能够加大机墩结构的抗扭、抗水平推力的刚度，改善了机墩的受力情况，所以电站厂房的机墩和风罩采用现浇整体式钢筋混凝土结构，风罩上部与发电机层楼板相接，下部与圆筒式机墩上部环向相接，机墩下部与水轮机层顶板相连接。机墩外径为10.3m，壁厚为2.45m，高度为2.04m。风罩壁厚为0.6m，高度为4.94m。机墩上有进人门。
机墩与风罩以及蜗壳顶板、各层板梁构成复杂的钢筋混凝土结构，是水电站厂房的重要结构之一，所以机组的安装及运行、短路飞逸时的刚度、结构强度等都必须满足一定要求。根据小山口二级电站的规模，机墩自振频率与强迫振动频率之差和自振频率之比应大于20%~30%，或强迫振动频率与自振频率之差和强迫振动频率之比应大于20%~30%，以防共振。机墩强迫振动的振幅应满足：垂直振幅长期组合不大于0.1mm，短期组合不大于0.15mm；水平横向与扭转振幅之和长期组合不大于0.15mm，短期组合不大于0.2mm。机墩裂缝宽度不大于0.30mm。机组风罩机墩横断面尺寸见图1。
计算假定及计算荷载
2.1 计算假定
①假定圆筒底部为固定端，顶部为简支，且不计算楼板刚度对圆筒刚度的影响；不考虑蜗壳顶板变形的影响，动力计算式，考虑蜗壳顶板变形的影响。
作用在风罩上的荷载均布在风罩顶部，并换算成相当于圆筒中心圆的荷载；
②圆筒内力按薄壁圆筒内力计算公式计算。
③机墩顶部假定为自由端，不考虑楼板刚度的作用，
④发电机层、风罩和机组的荷载假定均布在机墩顶部，并转化为相当于机墩圆筒中心圆周的荷载。
2.2 计算荷载与荷载组合
1.计算荷载
（1）垂直静荷载：包括风罩机墩的结构自重以及发电机层楼板及下机架传来的荷载、发电机层设备重。
（2）垂直动荷载：包括机组转动部分传来的荷载以及水轮机轴向水推动力传来的荷载。
（3）水平动荷载：由机组转动部分质量中心与机组中心偏心距e引起的水平离心力，包括正常运行和飞逸两种工况。
（4）扭矩：包括正常运行和飞逸两种工况。
正常扭矩（kN·m）：
其中N——发电机容量，kVA；
——发电机功率因数。
短路扭矩（kN·m）：
其中——发电机暂态电抗。
（5）温度荷载：风罩平均温升（温降）取15℃，内外壁温差取30℃。
2.荷载组合
计算时分为三种工况：正常运行、短路、飞逸。分别对上述荷载进行组合，见表1。
表1荷载组合
3.1静力分析
3.1.1 风罩内力分析
风罩壁最大竖向弯矩227.38KM·m，环向弯矩172.30KM·m，水平向剪力为668.74KM。风罩的均匀温升（降）以及风罩内外的温差对风罩的变形影响不大，风罩的水平侧位移均不到0.1mm。
3.1.2 机墩静力分析
机墩未计进人孔时机墩底部截面内外边缘法向应力分别为0.70Mpa、-0.08Mpa；机墩计入进人孔时，机墩底部截面内外边缘法向应力分别为0.74Mpa、-0.09Mpa。在三种不同工况中，短路时的剪应力最大，为0.04Mpa，机墩内壁最大压应力为0.10Mpa。
3.2动力分析
3.2.1 共振验算
水力冲击引起的强迫振动频率N1=18000r/min,转动部分质量偏心引起的强迫振动频率N2=150r/min。机墩的垂直自振频率N01=5717.4r/min, 水平横向自振频率N02=11336.4r/min, 水平扭转自振频率N03=3920.5r/min。而（N1- N01）/ N1=68%＞30%,（N02- N2）/ N02=99%＞30%,（N03- N2）/ N03=96%＞30%，则机墩和风罩不会发生共振现象。
3.2.2 动力系数验算
在此次计算中，垂直方向的动力系数为1.11，水平方向的动力系数为1.00，水平扭转方向为1.00，均小于一般计算中采用的动力系数η，η为1.3~1.5，所以结构计算中取动力系数为η已偏于安全。
3.2.3 振幅验算
在振幅验算中，按单自由度有阻尼的强迫振动问题考虑。在三种工况下，风罩和机墩的最大垂直振幅A1=0.005mm，最大水平振幅为短路时的水平振幅A2=0.009mm。则机墩风罩的强迫振动振幅A1小于0.1mm，A2小于0.15mm，均满足设计要求。
配筋计算
在振幅验算中，按单自由度有阻尼的强迫振动问题考虑。在三种工况下，风罩和机墩的最大垂直振幅A1=0.005mm，最大水平振幅为短路时的水平振幅A2=0.009mm。则机墩风罩的强迫振动振幅A1小于0.1mm，A2小于0.15mm，均满足设计要求。
配筋计算
根据静力计算结果，机墩底部边缘拉应力、最大拉应力未超过混凝土的容许拉应力，只需要配置构造钢筋；风罩以竖向弯矩、竖向轴力按偏心受压构件配置风罩竖向钢筋，考虑风罩壁竖向对称配筋，以环向弯矩按受弯构件配置环向钢筋，以水平向剪力校核风罩水平截面的抗剪强度。利用配筋程序进行配筋计算并通过MorGain结构设计程序验证最小配筋率。配筋计算结果如下：
机墩配筋如下：竖向受力筋：Φ28@200（3079mm2）；水平向分布筋：Φ25@200（2454mm2）。风罩配筋如下：Φ28@200（3079mm2），箍筋：Φ20@200（1272mm2）仅在风罩底部配置两层；水平向配筋：Φ25@200（2454mm2）。風罩开孔上部暗梁配筋3Φ25（1473mm2），箍筋Φ10@100四肢箍筋。
结语
在小山口水电站机墩风罩设计中，采用简化力学模型用结构力学方法进行动力分析与精力计算，但这种方法不能准确的反映各部分之间的联合承载机理。，，计算结果并不精确。目前像ANSYS、PROE、ADINA等三维计算软件很多，可以进行空间动力模态分析和静力变形计算，使计算结果更加合理更加准确。
参考文献
[1] SL191-2008《水工钢筋混凝土结构设计规范》[S].
[2] SL266-2001《水电站厂房设计规范》[S].
[3] DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》.
[4] 吕永明，掌于昶，郑太然.莲花水电站厂房机墩风罩结构的分析[J].水力发电，1997(5).
作者简介：康迎宾（1965—），男，河南禹州人，教授，主要研究方向为水工结构工程。
贺烨萌（1986—），女，华北水利水电学院硕士研究生。
杨鹤（1987—），女，华北水利水电学院硕士研究生。
关键词：小山口水电站；机墩；风罩；结构计算；
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
新疆小山口二级水电站工程位于新疆巴音郭楞蒙古自治州和静县境内的开都河下游，距已建成的大山口水电站约18.5km。电站厂房区距和静县城约50km，距库尔勒市约95km，交通便利。小山口二级水电站开发任务为发电，供电范围为巴州电网，多余电力电量送新疆电网。小山口水电站厂房为无压引水式地面厂房，厂房位于开都河左岸滩地上。站装机容量为49.5MW，依据《水利水电工程等级划分及防洪标准》（SL252-2000），小山口二级水电站工程等别为Ⅳ等，工程规模为小（Ⅰ）型，主要建筑物级别为4级，次要建筑物为5级，临时建筑物为5级。主要建筑物有：引水闸、节制闸、引水渠道、排冰闸、溢流堰、溢流堰泄槽、前池、引水管道和电站厂房等。
根据《水利水电工程等级划分及洪水标准》SL252-2000、《防洪标准》GB50201-94和《水电站引水渠道及前池设计规范》SL/T205-97，本工程主要建筑物的正常运用洪水重现期为50年一遇，非常运用洪水重现期为100年一遇。根据GB18306-2001（1/400万）《中国地震动参数区划图》，工程区地震动峰值加速度为0.2g，反应谱特征周期为0.4s，对应的地震基本烈度为8度。主要建筑物抗震设防烈度为8度。
本工程处在开都河左岸滩地及Ⅲ阶地上。根据地形地貌特征，将工程区划分为滩地区和阶地区两大类型。工程区揭露的地层为第四系松散堆积物（Q）及上第三系地层（N1）。工程区内基岩大部分被第四系冲洪积层所覆盖，仅在陡坎及冲沟内出露，物理地质现象不发育，主要表现形式以小规模的松散层崩塌为主。崩塌多见于冲沟两侧及陡坎前缘，规模很小，一般不会对工程造成影响。
厂房机墩风罩概况
小山口主厂房布置三台水轮发电机组，其尺寸为47.8m×22.10m×40.48m(长×宽×高)，安装间与主机段之间、2#和3#机组之间共设置两条永久变形缝。电站装机容量为3×16.5MW，采用型号为SF16.5—40/6000，水轮机型号为HLA551C—LJ—300。
机墩是发电机的支承结构，立式机组的支墩承受水轮发电机的巨大的动、静荷载。圆筒式机墩具有刚度大、抗压、抗振、抗扭等良好性能，且结构简单，施工方便。圆筒式发电机层与机墩风罩的连接方式一般有整体式、简支式、分离式，而整体式连接能够加大机墩结构的抗扭、抗水平推力的刚度，改善了机墩的受力情况，所以电站厂房的机墩和风罩采用现浇整体式钢筋混凝土结构，风罩上部与发电机层楼板相接，下部与圆筒式机墩上部环向相接，机墩下部与水轮机层顶板相连接。机墩外径为10.3m，壁厚为2.45m，高度为2.04m。风罩壁厚为0.6m，高度为4.94m。机墩上有进人门。
机墩与风罩以及蜗壳顶板、各层板梁构成复杂的钢筋混凝土结构，是水电站厂房的重要结构之一，所以机组的安装及运行、短路飞逸时的刚度、结构强度等都必须满足一定要求。根据小山口二级电站的规模，机墩自振频率与强迫振动频率之差和自振频率之比应大于20%~30%，或强迫振动频率与自振频率之差和强迫振动频率之比应大于20%~30%，以防共振。机墩强迫振动的振幅应满足：垂直振幅长期组合不大于0.1mm，短期组合不大于0.15mm；水平横向与扭转振幅之和长期组合不大于0.15mm，短期组合不大于0.2mm。机墩裂缝宽度不大于0.30mm。机组风罩机墩横断面尺寸见图1。
计算假定及计算荷载
2.1 计算假定
①假定圆筒底部为固定端，顶部为简支，且不计算楼板刚度对圆筒刚度的影响；不考虑蜗壳顶板变形的影响，动力计算式，考虑蜗壳顶板变形的影响。
作用在风罩上的荷载均布在风罩顶部，并换算成相当于圆筒中心圆的荷载；
②圆筒内力按薄壁圆筒内力计算公式计算。
③机墩顶部假定为自由端，不考虑楼板刚度的作用，
④发电机层、风罩和机组的荷载假定均布在机墩顶部，并转化为相当于机墩圆筒中心圆周的荷载。
2.2 计算荷载与荷载组合
1.计算荷载
（1）垂直静荷载：包括风罩机墩的结构自重以及发电机层楼板及下机架传来的荷载、发电机层设备重。
（2）垂直动荷载：包括机组转动部分传来的荷载以及水轮机轴向水推动力传来的荷载。
（3）水平动荷载：由机组转动部分质量中心与机组中心偏心距e引起的水平离心力，包括正常运行和飞逸两种工况。
（4）扭矩：包括正常运行和飞逸两种工况。
正常扭矩（kN·m）：
其中N——发电机容量，kVA；
——发电机功率因数。
短路扭矩（kN·m）：
其中——发电机暂态电抗。
（5）温度荷载：风罩平均温升（温降）取15℃，内外壁温差取30℃。
2.荷载组合
计算时分为三种工况：正常运行、短路、飞逸。分别对上述荷载进行组合，见表1。
表1荷载组合
3.1静力分析
3.1.1 风罩内力分析
风罩壁最大竖向弯矩227.38KM·m，环向弯矩172.30KM·m，水平向剪力为668.74KM。风罩的均匀温升（降）以及风罩内外的温差对风罩的变形影响不大，风罩的水平侧位移均不到0.1mm。
3.1.2 机墩静力分析
机墩未计进人孔时机墩底部截面内外边缘法向应力分别为0.70Mpa、-0.08Mpa；机墩计入进人孔时，机墩底部截面内外边缘法向应力分别为0.74Mpa、-0.09Mpa。在三种不同工况中，短路时的剪应力最大，为0.04Mpa，机墩内壁最大压应力为0.10Mpa。
3.2动力分析
3.2.1 共振验算
水力冲击引起的强迫振动频率N1=18000r/min,转动部分质量偏心引起的强迫振动频率N2=150r/min。机墩的垂直自振频率N01=5717.4r/min, 水平横向自振频率N02=11336.4r/min, 水平扭转自振频率N03=3920.5r/min。而（N1- N01）/ N1=68%＞30%,（N02- N2）/ N02=99%＞30%,（N03- N2）/ N03=96%＞30%，则机墩和风罩不会发生共振现象。
3.2.2 动力系数验算
在此次计算中，垂直方向的动力系数为1.11，水平方向的动力系数为1.00，水平扭转方向为1.00，均小于一般计算中采用的动力系数η，η为1.3~1.5，所以结构计算中取动力系数为η已偏于安全。
3.2.3 振幅验算
在振幅验算中，按单自由度有阻尼的强迫振动问题考虑。在三种工况下，风罩和机墩的最大垂直振幅A1=0.005mm，最大水平振幅为短路时的水平振幅A2=0.009mm。则机墩风罩的强迫振动振幅A1小于0.1mm，A2小于0.15mm，均满足设计要求。
配筋计算
在振幅验算中，按单自由度有阻尼的强迫振动问题考虑。在三种工况下，风罩和机墩的最大垂直振幅A1=0.005mm，最大水平振幅为短路时的水平振幅A2=0.009mm。则机墩风罩的强迫振动振幅A1小于0.1mm，A2小于0.15mm，均满足设计要求。
配筋计算
根据静力计算结果，机墩底部边缘拉应力、最大拉应力未超过混凝土的容许拉应力，只需要配置构造钢筋；风罩以竖向弯矩、竖向轴力按偏心受压构件配置风罩竖向钢筋，考虑风罩壁竖向对称配筋，以环向弯矩按受弯构件配置环向钢筋，以水平向剪力校核风罩水平截面的抗剪强度。利用配筋程序进行配筋计算并通过MorGain结构设计程序验证最小配筋率。配筋计算结果如下：
机墩配筋如下：竖向受力筋：Φ28@200（3079mm2）；水平向分布筋：Φ25@200（2454mm2）。风罩配筋如下：Φ28@200（3079mm2），箍筋：Φ20@200（1272mm2）仅在风罩底部配置两层；水平向配筋：Φ25@200（2454mm2）。風罩开孔上部暗梁配筋3Φ25（1473mm2），箍筋Φ10@100四肢箍筋。
结语
在小山口水电站机墩风罩设计中，采用简化力学模型用结构力学方法进行动力分析与精力计算，但这种方法不能准确的反映各部分之间的联合承载机理。，，计算结果并不精确。目前像ANSYS、PROE、ADINA等三维计算软件很多，可以进行空间动力模态分析和静力变形计算，使计算结果更加合理更加准确。
参考文献
[1] SL191-2008《水工钢筋混凝土结构设计规范》[S].
[2] SL266-2001《水电站厂房设计规范》[S].
[3] DL5077-1997《水工建筑物荷载设计规范》.
[4] 吕永明，掌于昶，郑太然.莲花水电站厂房机墩风罩结构的分析[J].水力发电，1997(5).
作者简介：康迎宾（1965—），男，河南禹州人，教授，主要研究方向为水工结构工程。
贺烨萌（1986—），女，华北水利水电学院硕士研究生。
杨鹤（1987—），女，华北水利水电学院硕士研究生。