联合布置的汽轮发电机组弹簧隔振基础方案简介

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　　汽机基础的抗震设计通常包括内力响应、位移响应、强度计算等内容。近年来有的制造商提出要对基础与汽轮发电机组联结点的地震加速度进行控制，规定水平地震加速度不能超过0.3g，垂直地震加速度不能超过0.2g，这就要求汽机基础的抗震设计增加加速度响应的计算内容。


　　德国 GERB 公司Peter Nawrotzki博士在他的一篇论文中提出了减小汽机基础地震响应的两项对策：一是降低结构的基本频率，二是增加体系的阻尼。但是当代钢筋混凝土柔性汽机基础的基频已经很低，进一步降低的空间已经很小;而且，单一材料(钢筋混凝土)汽机基础的阻尼也很难提高，Peter Nawrotzki博士的抗震策略在常规汽机基础中难以应用。


　　与之形成鲜明对比的是，弹簧隔振汽机基础可以大幅度地将水平自振频率降到1Hz以下，而且在隔振器中配置适量的阻尼器可以调整整个体系的阻尼。灵活运用Nawrotzki博士的抗震策略，汽机基础的频率、振型、位移和加速度响应甚至阻尼都是可调的、可优化的。这就为汽机基础的抗震设计拓宽了道路，为弹簧隔振汽机基础在高烈度地震区的应用开辟了广阔的空间。


　　1. 汽轮发电机组弹簧隔振基础的布置形式

　　为了方便起见本文称无隔振汽机基础为常规基础。这种基础大都采用岛式布置，典型的常规基础横向布置如图1所示。

　　图1 典型的常规汽机基础

　　将常规基础的所有柱子沿顶板底面切断，并将切断后的柱头再切除一截(其长度等于隔振器的高度)，然后在柱顶与顶板之间塞进隔振器，就形成了岛式布置的弹簧隔振汽机基础(图2)。岛式布置的弹簧隔振基础已将机组和顶板与下部结构隔开，具备了隔振的功能，其下部结构已没有必要再与主厂房分割开来。

　　图2 岛式布置弹簧隔振汽机基础

　　为了调整抗震性能和优化结构布置，又进一步把隔振基础的下部结构与主厂房结构联系起来，演变成了联合布置的弹簧隔振基础(图3)。联合布置隔振基础所带来的优点已经超出了抗震性能的改善，它为改进工艺布置、节约主厂房空间、降低工程造价带来了巨大的潜力。

　　图3 联合布置弹簧隔振汽机基础

　　汽机基础的弹簧隔振与房屋建筑的隔震在布置和功能上有很大差别。房屋建筑隔震的隔震层布置在上部结构与基础之间，起隔离地震能量的作用;汽机基础弹簧隔振的隔振器布置在顶板与下部结构之间，既阻止了汽轮发电机组振动的传播，也隔断了地震波的传递。它们在抗震性能和抗震设计上存在很大差别。


　　2. 联合布置弹簧隔振汽机基础的优越性

　　首先，联合布置的弹簧隔振基础采取了隔振措施，机组和平台板已经与下部结构隔离开，机组振动传递的风险已不再是主厂房布置所考虑的主要因素，主厂房框架可以与汽机基础下部结构统一布置，多余的梁柱可以合并，结构布置可以大大优化，粗笨的柱子和剪力墙都不再必要。于是，大幅度地节省了主厂房的宝贵空间，其经济效益远大于弹簧隔振器的费用。


　　再从主厂房抗震来看：电厂主厂房通常都是跨度大、层高高的空旷结构;为了避免汽轮发电机组的振动向外传递，汽机基础都采用独立的岛式布置，因而更加削弱了主厂房框架的横向刚度。唐山地震、汶川地震都曾发生过电厂主厂房屋架(网架)垮塌的先例，说明在8度以上高烈度地区，电厂主厂房是抗震薄弱环节。


　　如果汽机基础采取联合布置的弹簧隔振，则不但主厂房框架的横向刚度可以大大加强，而且还可以在主厂房内布置多道水平减震耗能装置，增加整个厂房结构的阻尼比，从而大幅度降低各项地震响应，解决了高烈度地区建厂的巨大难题。


　　此外，大型汽轮发电机组及其基础顶板的质量常常高达4-5千吨，在整个主厂房结构质量中占有很大比例，这一部分质量如果纳入主厂房结构抗震分析的整体模型中去，可以起到“质量阻尼器”的作用，大大降低整个体系的基本频率，使输入的地震作用大为减小，使主厂房抗震体系的工程量大为降低。


　　最后，汽机基础本身也可以从联合布置的弹簧隔振方案中得到改善。汽机基础隔振与房屋建筑隔震不同，房屋建筑隔震的隔振层很低，可以直接采用地面波作为其地震输入;弹簧隔振汽机基础的隔振器布置在顶板底部，系高位布置，地面波经过下部结构的传递后会在其顶部形成放大了的楼层响应谱，这个放大了的响应谱才是弹簧隔振汽机基础顶板的地震输入。


　　联合布置的弹簧隔振汽机基础可以通过整体结构的优化设计或设置减震耗能装置来降低下部结构顶端的楼层响应，减小汽机基础顶板的地震输入，提高隔振汽机基础的抗震性能。然而，岛式布置的弹簧隔振汽机基础不具备这一优点。


　　联合布置的弹簧隔振基础已在土耳其获得成功应用，最高抗震设防烈度达到9.5 度(最大地面加速度0.6g)，它是隔而固德国埃森工程公司为土耳其一个强震区的电厂专门设计的。我国连云港田湾核电站的汽机基础也采用通过纵、横梁与厂房结构联结的立柱式弹簧隔振基础，属于联合布置基础的一种。预计，联合布置弹簧隔振基础会被越来越多的工程采用，特别是在9 度及9 度以上的高烈度地震区。


　　本文摘录自罗国澍 , 房俊喜 , 王建撰写的《汽轮发电机组弹簧隔振基础的抗震性能》一文，原文刊发于《武汉大学学报:工学版》, 2009年。