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[摘 要]近年来，随着重工业的深入发展，动力设备的体型也越来越大，其扰力引发的振动问题也越来越突出。大型汽轮机基础通常采用钢筋混凝土框架式结构。为了保证汽轮机长期、安全、稳定地工作，在汽轮机基础设计中需要进行振动分析，使基础振动满足GB50040—1996《动力机器基础设计规范》所规定的线位移控制条件。本文以某发电厂12MW汽轮机框架式混凝土基础为研究对象，采用STAAD.Pro软件对汽轮机基础进行了基础动力分析，并对分析结果进行了讨论。
[关键词]汽轮机框架式基础；STAAD.Pro；动力分析
中图分类号：TG214 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）46-0042-01
框架式基础是水泥生产线余热发电工程汽轮发电机组基础的常用形式，其动力特性的优劣直接影响机组的安全稳定运行，因此为了保证机组可靠地运行，必须进行动力计算。汽轮机基础的动力计算又是一项至关重要而又复杂的过程，本文借助Staad.pro软件，用时程分析方法分析某水泥生产线余热发电工程的机组在扰力作用下，基础的梁、柱、挑台尺寸变化对基础动力特性的影响，同时确保振幅不超过《动力机器基础设计规范》的允许值，以期达到动力优化分析，从而改善基础的动力特性。
1 基组基本情况
该水泥生产线余热发电工程（12MW）汽轮机组主要性能指标：机组额定功率：12MW；工作频率：3000r/min（50Hz）；汽轮机转子重量：110kN；汽轮机总重：650kN；发电机转子重量：78kN；发电机总重：455kN。汽轮机基础的混凝土等级为C30，混凝土弹性模量为×104N/mm2，结构阻尼比为0.0625，采用天然地基。汽轮机基础结构假设为空间多自由度体系，简化为梁、柱、板所组成的空间框架结构，框架柱的底部固定在底板上（忽略汽轮机基础底板的影响，认为其是刚性的）。图1表示扰力作用位置和竖向、横向扰力作用值，扰力纵向作用值（未表示在图）为图示扰力作用值的0.5倍。
2 动力分析
2.1 柱截面尺寸变化对基础动力特性的影响取基础6根柱的截面一样，柱计算长度为9m（取底板顶到横梁中心的距离），为了满足柱长细比不宜大于14的要求，柱截面尺寸最小取650mm，50mm为1个变化等级，柱截面尺寸分别为650mm、700mm、750mm、800mm、850mm，所有梁截面尺寸不变。表1、表2分别是采用软件Staad.pro用时程分析方法计算出来的结构自振频率和扰力点垂直方向最大的振幅。
表1包含了机组0～1.4倍工作转速范围内全部振型的结构自振频率，能保证在该转速范围内基础的所有振型都参与叠加。从表1可以看出：框架式基础的自振频率在汽机工作频率处分布比较密集，且基础的主要自振频率均避开了汽机工作的扰力频率。通过对这5种柱截面的自振频率比较可以看出，柱截面变化对基础的自振频率影响很小。
由于计算的竖向振动线位移幅值总是大于横向和纵向振动线位移，而三个方向的允许振动线位移是相同的，所以表2只统计了扰力点垂直方向最大的振幅。从表2可以看出，在机组梁截面不变的情况下，随着柱截面尺寸由650×650逐步增大到850×850时，各扰力点垂直振幅值变化几乎可以忽略不计，说明柱截面尺寸在此范围内变化对基组的动力特性影响很小，因此从经济角度考虑，在满足强度和稳定性的前提下，柱截面可适当减小。
2.2 梁截面尺寸变化对基础动力特性的影响
梁截面尺寸宽度不变，高度分别为1200mm、1300mm、1400mm、1500mm、1600mm，所有柱截面尺寸不变，顶板的厚度同梁截面高度。表3和表4分别是梁截面尺寸变化情况下结构自振频率和扰力点垂直方向最大的振幅。
表3结果表明，随着梁截面高度增大，基础体系的自振频率也相应地增加，说明了梁截面的变化对基础动力特性影响明显。从表4可看出，随着梁截面高度增大，垂直振幅明显地降低，因此在工艺布置允许的情况下，适当地增加梁截面尺寸，可以很好地改善振动线位移值。
2.3 顶板挑台的长度变化对基础动力特性的影响
梁柱截面尺寸均不变，顶板挑台的悬挑变化长度分别为1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm，悬臂根部处的截面高度约取悬挑长度的0.8倍，相应尺寸分别为800mm、900mm、950mm、1050mm、1150mm，沿悬挑方向梁高渐变到端部高度均为400mm。
随着悬挑板长度增大，基础体系的自振频率略有降低，说明了悬挑板长度的变化对基础整体的动力特性影响不大。悬挑板角点的振幅远远大于扰力点的振幅，个别角点的线位移值甚至超过了规范允许值，且随着悬挑长度增大，扰力点处振幅虽然变化不明显，但悬挑板角点处振幅增加较大，因此在设计汽机基础时，要合理布置，尽量减少汽机基础的顶板挑台的悬挑长度，以减小挑台的振动线位移值。
3 结论
（1）汽轮机框架式基础的柱截面变化对基础的动力特性影响较小，在满足强度和稳定性的前提下，柱截面可适当减小。
（2）汽轮机框架式基礎的梁截面变化对基础动力特性影响明显，适当地增加梁截面尺寸，可以很好地改善基础的动力特性。
（3）汽轮机框架式基础的挑台的悬挑长度变化对基础本身的动力特性影响较小，但对悬挑板自身的振动影响较大，因此应尽量减少挑台的悬挑长度，以减小悬挑板的振动线位移值。
参考文献
[1] 陈志民.基于Kriging模型的汽轮机基础可靠性动力优化方法[D].大连：大连理工大学，2007.
[2] 中华人民共和国机械工业部.动力机器基础设计规范[S].北京：中国计划出版社，1997.
[关键词]汽轮机框架式基础；STAAD.Pro；动力分析
中图分类号：TG214 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）46-0042-01
框架式基础是水泥生产线余热发电工程汽轮发电机组基础的常用形式，其动力特性的优劣直接影响机组的安全稳定运行，因此为了保证机组可靠地运行，必须进行动力计算。汽轮机基础的动力计算又是一项至关重要而又复杂的过程，本文借助Staad.pro软件，用时程分析方法分析某水泥生产线余热发电工程的机组在扰力作用下，基础的梁、柱、挑台尺寸变化对基础动力特性的影响，同时确保振幅不超过《动力机器基础设计规范》的允许值，以期达到动力优化分析，从而改善基础的动力特性。
1 基组基本情况
该水泥生产线余热发电工程（12MW）汽轮机组主要性能指标：机组额定功率：12MW；工作频率：3000r/min（50Hz）；汽轮机转子重量：110kN；汽轮机总重：650kN；发电机转子重量：78kN；发电机总重：455kN。汽轮机基础的混凝土等级为C30，混凝土弹性模量为×104N/mm2，结构阻尼比为0.0625，采用天然地基。汽轮机基础结构假设为空间多自由度体系，简化为梁、柱、板所组成的空间框架结构，框架柱的底部固定在底板上（忽略汽轮机基础底板的影响，认为其是刚性的）。图1表示扰力作用位置和竖向、横向扰力作用值，扰力纵向作用值（未表示在图）为图示扰力作用值的0.5倍。
2 动力分析
2.1 柱截面尺寸变化对基础动力特性的影响取基础6根柱的截面一样，柱计算长度为9m（取底板顶到横梁中心的距离），为了满足柱长细比不宜大于14的要求，柱截面尺寸最小取650mm，50mm为1个变化等级，柱截面尺寸分别为650mm、700mm、750mm、800mm、850mm，所有梁截面尺寸不变。表1、表2分别是采用软件Staad.pro用时程分析方法计算出来的结构自振频率和扰力点垂直方向最大的振幅。
表1包含了机组0～1.4倍工作转速范围内全部振型的结构自振频率，能保证在该转速范围内基础的所有振型都参与叠加。从表1可以看出：框架式基础的自振频率在汽机工作频率处分布比较密集，且基础的主要自振频率均避开了汽机工作的扰力频率。通过对这5种柱截面的自振频率比较可以看出，柱截面变化对基础的自振频率影响很小。
由于计算的竖向振动线位移幅值总是大于横向和纵向振动线位移，而三个方向的允许振动线位移是相同的，所以表2只统计了扰力点垂直方向最大的振幅。从表2可以看出，在机组梁截面不变的情况下，随着柱截面尺寸由650×650逐步增大到850×850时，各扰力点垂直振幅值变化几乎可以忽略不计，说明柱截面尺寸在此范围内变化对基组的动力特性影响很小，因此从经济角度考虑，在满足强度和稳定性的前提下，柱截面可适当减小。
2.2 梁截面尺寸变化对基础动力特性的影响
梁截面尺寸宽度不变，高度分别为1200mm、1300mm、1400mm、1500mm、1600mm，所有柱截面尺寸不变，顶板的厚度同梁截面高度。表3和表4分别是梁截面尺寸变化情况下结构自振频率和扰力点垂直方向最大的振幅。
表3结果表明，随着梁截面高度增大，基础体系的自振频率也相应地增加，说明了梁截面的变化对基础动力特性影响明显。从表4可看出，随着梁截面高度增大，垂直振幅明显地降低，因此在工艺布置允许的情况下，适当地增加梁截面尺寸，可以很好地改善振动线位移值。
2.3 顶板挑台的长度变化对基础动力特性的影响
梁柱截面尺寸均不变，顶板挑台的悬挑变化长度分别为1000mm、1100mm、1200mm、1300mm、1400mm，悬臂根部处的截面高度约取悬挑长度的0.8倍，相应尺寸分别为800mm、900mm、950mm、1050mm、1150mm，沿悬挑方向梁高渐变到端部高度均为400mm。
随着悬挑板长度增大，基础体系的自振频率略有降低，说明了悬挑板长度的变化对基础整体的动力特性影响不大。悬挑板角点的振幅远远大于扰力点的振幅，个别角点的线位移值甚至超过了规范允许值，且随着悬挑长度增大，扰力点处振幅虽然变化不明显，但悬挑板角点处振幅增加较大，因此在设计汽机基础时，要合理布置，尽量减少汽机基础的顶板挑台的悬挑长度，以减小挑台的振动线位移值。
3 结论
（1）汽轮机框架式基础的柱截面变化对基础的动力特性影响较小，在满足强度和稳定性的前提下，柱截面可适当减小。
（2）汽轮机框架式基礎的梁截面变化对基础动力特性影响明显，适当地增加梁截面尺寸，可以很好地改善基础的动力特性。
（3）汽轮机框架式基础的挑台的悬挑长度变化对基础本身的动力特性影响较小，但对悬挑板自身的振动影响较大，因此应尽量减少挑台的悬挑长度，以减小悬挑板的振动线位移值。
参考文献
[1] 陈志民.基于Kriging模型的汽轮机基础可靠性动力优化方法[D].大连：大连理工大学，2007.
[2] 中华人民共和国机械工业部.动力机器基础设计规范[S].北京：中国计划出版社，1997.