STAAD軟件在某燃?xì)馄麢C(jī)基座中的有效應(yīng)用

1、STAAD軟件在某燃?xì)馄麢C(jī)基座中的有效應(yīng)用工程概況介紹：某發(fā)電廠285MW的燃?xì)鈾C(jī)組為燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)機(jī)，其主要設(shè)備分別為：燃?xì)廨啓C(jī)（額定工作轉(zhuǎn)速：5051rpm）、發(fā)電機(jī)（額定工作轉(zhuǎn)速：3000rpm）、壓縮機(jī)（額定工作轉(zhuǎn)速：6461rpm）等。 基礎(chǔ)屬于大塊式基礎(chǔ)，混凝土大底板厚，基礎(chǔ)具體尺寸詳見(jiàn)圖1圖2。圖1 基礎(chǔ)平面圖圖2 基礎(chǔ)縱剖面圖由于基礎(chǔ)長(zhǎng)30m以上，底面積近260m2，地基采用天然地基，為此，地基的剛度將直接影響到基礎(chǔ)的動(dòng)力特性，進(jìn)行基礎(chǔ)動(dòng)力計(jì)算時(shí)必須考慮地基對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)基礎(chǔ)的特點(diǎn)及機(jī)組的特性，我們決定采用STAAD/PRO通用計(jì)算軟件進(jìn)行基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算。 正確選擇

2、模型的結(jié)構(gòu)類(lèi)型能夠有效減少求解數(shù)量，從而加快運(yùn)算速度，節(jié)省時(shí)間和空間，最重要的是能夠準(zhǔn)確地解決工程的實(shí)際問(wèn)題，直接關(guān)系到基礎(chǔ)數(shù)值模型的合理性和分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。對(duì)于汽機(jī)機(jī)組，其運(yùn)行過(guò)程實(shí)際上是基礎(chǔ)與上部設(shè)備（汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等）耦合運(yùn)動(dòng)，但由于設(shè)備自身剛度的不可預(yù)估性和設(shè)備與基礎(chǔ)之間連接作用的復(fù)雜性，使得在（續(xù)）諸多方面都存在不確定因素?；谝酝こ痰姆治鼋?jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為可以忽略設(shè)備的形體、剛度、轉(zhuǎn)動(dòng)慣量等，但質(zhì)量仍需按照設(shè)備荷載的布置作用在基礎(chǔ)上。同時(shí)根據(jù)本基礎(chǔ)的特點(diǎn)，可采用塊體、板殼、桿件、彈簧單元對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行聯(lián)合模擬，以力求更真實(shí)、準(zhǔn)確和直觀地反映基礎(chǔ)自身的力學(xué)行為。圖4 基礎(chǔ)模型外形圖圖5

3、設(shè)備作用在基礎(chǔ)之上的靜荷載擾力荷載通過(guò)剛性桿傳給基礎(chǔ)，這樣做可以避免加載點(diǎn)偏心所引起的一系列問(wèn)題。我們采用STAAD軟件中提供的 “Master/Slave”功能來(lái)實(shí)現(xiàn)此目標(biāo)。該功能可以模擬結(jié)構(gòu)中特殊的連接（如位移綁定、剛性連接），適用于線性靜力和動(dòng)力反應(yīng)分析。但塊體單元不能直接連接到從節(jié)點(diǎn)上，因此從節(jié)點(diǎn)尚需要通過(guò)剛性板過(guò)渡實(shí)現(xiàn)。圖6 剛性桿和主從節(jié)點(diǎn)STAAD軟件中命令：SLAVE MX MY MZ MASTER 1856 JOINT 10932SLAVE MX MY MZ MASTER 1859 JOINT 10931SLAVE MX MY MZ MASTER 1928 JOINT 109

4、34剛性桿承擔(dān)傳遞擾力荷載的作用，剛度無(wú)窮大，密度無(wú)窮小，截面面積和慣性矩?zé)o窮大，在軟件中以下命令實(shí)現(xiàn)：ISOTROPIC RIGIDE 3e+008ALPHA 1e-005PRIS AX 1000 AY 833 AZ 833 IX 1000 IY 1000 IZ 1000剛性桿通過(guò)剛性板與實(shí)體單元進(jìn)行過(guò)渡連接。圖7 剛性桿與剛性板連接剛性板將桿傳來(lái)的擾力荷載傳遞到實(shí)體單元上，剛度無(wú)窮大，密度無(wú)窮小，板厚為一小值，在軟件中以下命令實(shí)現(xiàn)：ISOTROPIC RIGIDPLATEE 3e+010ALPHA 1e-005ELEMENT PROPERTY同樣，設(shè)備荷載的施加也是通過(guò)板單元再過(guò)度到實(shí)體單

5、元上。這部分板單元的特性同樣也是剛度無(wú)窮大，質(zhì)量無(wú)窮小。通過(guò)這樣的方法，最終所有的荷載都可以順利地傳遞到實(shí)體單元上，而且從受力角度來(lái)說(shuō)，消除了應(yīng)力突變，保證計(jì)算的合理和有效性。 整個(gè)動(dòng)力計(jì)算是以制造廠的設(shè)計(jì)要求為基礎(chǔ)的，并結(jié)合了我國(guó)動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行的。本基礎(chǔ)設(shè)備的不平衡等級(jí)在動(dòng)力計(jì)算中定義為，即：則作用于基礎(chǔ)振動(dòng)的擾力值為： WL：機(jī)器轉(zhuǎn)子重量(KN)；Nm：機(jī)器轉(zhuǎn)速(Hz)。圖8 擾力大小及位置分布圖將設(shè)備質(zhì)量轉(zhuǎn)換為三個(gè)方向的荷載施加在相應(yīng)的單元上。本工程采用單工況多編號(hào)對(duì)荷載進(jìn)行分類(lèi)。LOAD 1 LOADTYPE Dead TITLE DLSELFWEIGHT X 1JOINT

6、LOADELEMENT LOAD.圖9 三個(gè)方向質(zhì)量分布圖及荷載列表在擾力作用點(diǎn)施加強(qiáng)迫振動(dòng)的激勵(lì)荷載。在STAAD軟件中可以采用“Time Load”命令實(shí)現(xiàn)。此激勵(lì)荷載的幅值即為擾力的大?。篢IME LOAD對(duì)于該基礎(chǔ)，由于板厚與基礎(chǔ)的長(zhǎng)度之比約1/10，并且地基是天然地基，因此地基的剛度將直接影響到基礎(chǔ)的振動(dòng)，所以在計(jì)算中必須要考慮這點(diǎn)，不能把地基視為固結(jié)的剛體，而應(yīng)該作為彈性地基來(lái)對(duì)待。STAAD軟件有一大優(yōu)點(diǎn)，就是可以將標(biāo)準(zhǔn)地基和基礎(chǔ)底板轉(zhuǎn)換成彈簧支座的模擬。我們?cè)诖艘缘刭|(zhì)勘測(cè)資料為基礎(chǔ)，按照動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中有關(guān)地基剛度的計(jì)算公式進(jìn)行計(jì)算，使之轉(zhuǎn)換為彈簧支座的剛度輸入到數(shù)據(jù)文件

7、中，實(shí)現(xiàn)地基基礎(chǔ)的聯(lián)合計(jì)算。根據(jù)地基勘測(cè)資料，基礎(chǔ)下面是不同性質(zhì)的粉質(zhì)粘土，地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值(地基地耐力特征值)為110KPa，利用數(shù)值差分得到地基的抗壓剛度系數(shù)Czi，按照動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中的分層抗壓剛度系數(shù)計(jì)算公式：式中:Czi：第i層土的抗壓剛度系數(shù)(KN/m3)hi：從基礎(chǔ)底至i層土底面的深度(m)hi-1：從基礎(chǔ)底至i-1層土底面的深度(m)hd：影響深度(m)通過(guò)計(jì)算得到：抗壓剛度系數(shù)Cz=48362 KN/m3，抗剪剛度系數(shù)：Cxz=33854KN/m3。另外由于基礎(chǔ)埋置深度達(dá)到，所以計(jì)算中還考慮了土的側(cè)壓力剛度約為80KN。通過(guò)試算可知基礎(chǔ)的振動(dòng)響應(yīng)與地基剛度緊密相連，地基

8、剛度越小振動(dòng)響應(yīng)越大。 圖10 地基彈簧支座模擬示意圖(彈簧支座-基礎(chǔ)下部的黑色單元) 軟件命令：SUPPORTS101 TO 1710 PLATE MAT DIRECT ALL SUBGRADE 33854 48362 33854_SIDEFX ELASTIC MAT DIRECT XONLY SUBGRADE 80自振特性（自振頻率）的計(jì)算結(jié)果:階數(shù)頻率(Hz) 階數(shù)頻率(Hz) 3 4.905 4 4.913 5 7.554 6 9.064 從表中看到，由于屬于大塊式基礎(chǔ)，整體剛度明顯比框架式基礎(chǔ)高許多，第1階的自振頻率為4.845 Hz。圖11第1階 水平振動(dòng)和沿縱向(Y軸)回轉(zhuǎn)耦合

9、圖12第2階 扭轉(zhuǎn) 圖13 第3階 水平振動(dòng)和沿橫向(X軸)回轉(zhuǎn)耦合 圖14第7階 豎向平動(dòng) 從振型圖上看，前幾階主要是水平向移動(dòng)和繞水平X或Y軸回轉(zhuǎn)的耦合振型、以及扭轉(zhuǎn)等振型，到第7階是豎向的第1階振型。由于是大塊式基礎(chǔ)，所以沒(méi)有類(lèi)似框架式基礎(chǔ)那樣的局部振動(dòng)現(xiàn)象。動(dòng)力響應(yīng)的計(jì)算結(jié)果:圖15 軸承座所對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)頂面上的計(jì)算節(jié)點(diǎn)圖16 基礎(chǔ)頂面的主要計(jì)算節(jié)點(diǎn)輸出編號(hào) 按照動(dòng)力機(jī)器基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范中規(guī)定當(dāng)電機(jī)基礎(chǔ)采用大塊式基礎(chǔ)時(shí)，動(dòng)力計(jì)算按第4章塊式基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，結(jié)合制造廠的標(biāo)準(zhǔn)，擾力作用方向有水平X向、垂直Z向，所以計(jì)算結(jié)果有X、Z向分別作用下的2種結(jié)果。制造廠對(duì)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的動(dòng)力響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)是以速度均方值(r.m.s)來(lái)衡量的，其標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)下表：用設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)衡量，全部測(cè)點(diǎn)均落在“良好” 范圍內(nèi)。通過(guò)對(duì)該燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)基礎(chǔ)的動(dòng)力計(jì)算，得到以下結(jié)論：1）該燃?xì)廨啺l(fā)電機(jī)基礎(chǔ)屬于大塊式基礎(chǔ)，所以在計(jì)算中必須采用塊式單元，并且需要與地基剛度進(jìn)行聯(lián)合計(jì)算，才能真正實(shí)際地反映出基礎(chǔ)的振動(dòng)狀況。2）自振特性的計(jì)算結(jié)果表明第1階自振頻率為，振型主要為水平向與搖擺或扭轉(zhuǎn)耦合。3）動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果表明在基礎(chǔ)頂面的最大振動(dòng)速度均方根值為