STAAD軟件在某燃氣汽機基座中的有效應用

1、STAAD軟件在某燃氣汽機基座中的有效應用工程概況介紹：某發(fā)電廠285MW的燃氣機組為燃氣/蒸汽聯(lián)合循環(huán)機，其主要設備分別為：燃氣輪機（額定工作轉(zhuǎn)速：5051rpm）、發(fā)電機（額定工作轉(zhuǎn)速：3000rpm）、壓縮機（額定工作轉(zhuǎn)速：6461rpm）等。 基礎屬于大塊式基礎，混凝土大底板厚，基礎具體尺寸詳見圖1圖2。圖1 基礎平面圖圖2 基礎縱剖面圖由于基礎長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的動力特性，進行基礎動力計算時必須考慮地基對上部結(jié)構(gòu)的影響。根據(jù)基礎的特點及機組的特性，我們決定采用STAAD/PRO通用計算軟件進行基礎的動力計算。 正確選擇

2、模型的結(jié)構(gòu)類型能夠有效減少求解數(shù)量，從而加快運算速度，節(jié)省時間和空間，最重要的是能夠準確地解決工程的實際問題，直接關系到基礎數(shù)值模型的合理性和分析結(jié)果的準確性。對于汽機機組，其運行過程實際上是基礎與上部設備（汽輪機、發(fā)電機等）耦合運動，但由于設備自身剛度的不可預估性和設備與基礎之間連接作用的復雜性，使得在（續(xù)）諸多方面都存在不確定因素。基于以往工程的分析經(jīng)驗，我們認為可以忽略設備的形體、剛度、轉(zhuǎn)動慣量等，但質(zhì)量仍需按照設備荷載的布置作用在基礎上。同時根據(jù)本基礎的特點，可采用塊體、板殼、桿件、彈簧單元對基礎進行聯(lián)合模擬，以力求更真實、準確和直觀地反映基礎自身的力學行為。圖4 基礎模型外形圖圖5

3、設備作用在基礎之上的靜荷載擾力荷載通過剛性桿傳給基礎，這樣做可以避免加載點偏心所引起的一系列問題。我們采用STAAD軟件中提供的 “Master/Slave”功能來實現(xiàn)此目標。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力反應分析。但塊體單元不能直接連接到從節(jié)點上，因此從節(jié)點尚需要通過剛性板過渡實現(xiàn)。圖6 剛性桿和主從節(jié)點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剛性桿承擔傳遞擾力荷載的作用，剛度無窮大，密度無窮小，截面面積和慣性矩無窮大，在軟件中以下命令實現(xiàn)：ISOTROPIC RIGIDE 3e+008ALPHA 1e-005PRIS AX 1000 AY 833 AZ 833 IX 1000 IY 1000 IZ 1000剛性桿通過剛性板與實體單元進行過渡連接。圖7 剛性桿與剛性板連接剛性板將桿傳來的擾力荷載傳遞到實體單元上，剛度無窮大，密度無窮小，板厚為一小值，在軟件中以下命令實現(xiàn)：ISOTROPIC RIGIDPLATEE 3e+010ALPHA 1e-005ELEMENT PROPERTY同樣，設備荷載的施加也是通過板單元再過度到實體單

5、元上。這部分板單元的特性同樣也是剛度無窮大，質(zhì)量無窮小。通過這樣的方法，最終所有的荷載都可以順利地傳遞到實體單元上，而且從受力角度來說，消除了應力突變，保證計算的合理和有效性。 整個動力計算是以制造廠的設計要求為基礎的，并結(jié)合了我國動力機器基礎設計規(guī)范進行的。本基礎設備的不平衡等級在動力計算中定義為，即：則作用于基礎振動的擾力值為： WL：機器轉(zhuǎn)子重量(KN)；Nm：機器轉(zhuǎn)速(Hz)。圖8 擾力大小及位置分布圖將設備質(zhì)量轉(zhuǎn)換為三個方向的荷載施加在相應的單元上。本工程采用單工況多編號對荷載進行分類。LOAD 1 LOADTYPE Dead TITLE DLSELFWEIGHT X 1JOINT

6、LOADELEMENT LOAD.圖9 三個方向質(zhì)量分布圖及荷載列表在擾力作用點施加強迫振動的激勵荷載。在STAAD軟件中可以采用“Time Load”命令實現(xiàn)。此激勵荷載的幅值即為擾力的大小：TIME LOAD對于該基礎，由于板厚與基礎的長度之比約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的振動，所以在計算中必須要考慮這點，不能把地基視為固結(jié)的剛體，而應該作為彈性地基來對待。STAAD軟件有一大優(yōu)點，就是可以將標準地基和基礎底板轉(zhuǎn)換成彈簧支座的模擬。我們在此以地質(zhì)勘測資料為基礎，按照動力機器基礎設計規(guī)范中有關地基剛度的計算公式進行計算，使之轉(zhuǎn)換為彈簧支座的剛度輸入到數(shù)據(jù)文件

7、中，實現(xiàn)地基基礎的聯(lián)合計算。根據(jù)地基勘測資料，基礎下面是不同性質(zhì)的粉質(zhì)粘土，地基承載力標準值(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，按照動力機器基礎設計規(guī)范中的分層抗壓剛度系數(shù)計算公式：式中:Czi：第i層土的抗壓剛度系數(shù)(KN/m3)hi：從基礎底至i層土底面的深度(m)hi-1：從基礎底至i-1層土底面的深度(m)hd：影響深度(m)通過計算得到：抗壓剛度系數(shù)Cz=48362 KN/m3，抗剪剛度系數(shù)：Cxz=33854KN/m3。另外由于基礎埋置深度達到，所以計算中還考慮了土的側(cè)壓力剛度約為80KN。通過試算可知基礎的振動響應與地基剛度緊密相連，地基

8、剛度越小振動響應越大。 圖10 地基彈簧支座模擬示意圖(彈簧支座-基礎下部的黑色單元) 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，整體剛度明顯比框架式基礎高許多，第1階的自振頻率為4.845 Hz。圖11第1階 水平振動和沿縱向(Y軸)回轉(zhuǎn)耦合

9、圖12第2階 扭轉(zhuǎn) 圖13 第3階 水平振動和沿橫向(X軸)回轉(zhuǎn)耦合 圖14第7階 豎向平動 從振型圖上看，前幾階主要是水平向移動和繞水平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，所以沒有類似框架式基礎那樣的局部振動現(xiàn)象。動力響應的計算結(jié)果:圖15 軸承座所對應的基礎頂面上的計算節(jié)點圖16 基礎頂面的主要計算節(jié)點輸出編號 按照動力機器基礎設計規(guī)范中規(guī)定當電機基礎采用大塊式基礎時，動力計算按第4章塊式基礎進行計算，結(jié)合制造廠的標準，擾力作用方向有水平X向、垂直Z向，所以計算結(jié)果有X、Z向分別作用下的2種結(jié)果。制造廠對基礎設計的動力響應標準是以速度均方值(r.m.s)來衡量的，其標準見下表：用設計標準衡量，全部測點均落在“良好” 范圍內(nèi)。通過對該燃氣輪發(fā)電機基礎的動力計算，得到以下結(jié)論：1）該燃氣輪發(fā)電機基礎屬于大塊式基礎，所以在計算中必須采用塊式單元，并且需要與地基剛度進行聯(lián)合計算，才能真正實際地反映出基礎的振動狀況。2）自振特性的計算結(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）動力響應計算結(jié)果表明在基礎頂面的最大振動速度均方根值為