汽轮发电机组基础的大比例模型抗震实验研究

赵刚 杨洪镇 屈铁军

摘要:为了研究100MW汽轮发电机组的基础，本文按照1:5的比例设计和制作试验模型。基础的结构形式近似为框架结构。通过进行8度设防地震和8度罕遇地震作用下的拟动力试验，得到了基础结构的地震反应。试验表明，基础在8度地震作用下仍处于安全状态。

关键词：基础、抗震性能、拟动力实验

中图分类号：TB857文献标识码： A

Large scale test of the anti-seismic performance of turbine generator foundatin

Zhao gangYang hong zhenQu tie jun

(College of Architecture and Civil Engineering，North China University of Technology)

Abstract:In order to research a 100MW steam-turbine generator foundation,the paper design and build a 1 ∶ 5 scale testing model．The foundation takes a similar frame construction.The pseudo-dynamic tests under intensity 7 frequently and rarely earthquake are carried out and the characteristics of earthquake response are studied．The results indicate that the foundation has preferable seismic capability during the earthquake．

Keywords: foundation; earthquake response; pseudo-dynamic test

1、引言

汽轮发电[ ［基金项目］ 北京市属高等学校人才强教计划资助项目

第一作者简介: 赵刚, 硕士研究生. 主要研究方向: 工程抗震，电话13699221052]机组的基座是核电站非常重要的工程之一，该基座在震中和震后的安全状况与核电站的能否正常运行息息相关，因此保证基座在地震中结构的基本功能非常重要。汽轮发电机组设备质量巨大，运行过程中基座的受力情况复杂。虽然，近年来关于汽轮发电机组基座的抗震安全性进行了较多的研究，但研究手段仅限于理论计算或小比例模型实验，文献[1]和[2]中实验模型的比例是1：10，文献[3]中实验模型的比例是1：8。

汽轮发电机组基座的原形尺寸较大，由于振动台试验受振动台面尺寸的限制，只能进行很小比例的模型试验。小比例模型做抗震实验特别是罕遇地震作用下的抗震实验，由于结构已进入塑性状态，模型与原型的相似条件很难满足，实验数据误差较大。且比例太小，实验数据的精度也不能保证。拟动力试验可以弥补振动台实验的上述缺点，并且在实验工程中可以观察模型的整个破坏过程，所以本文选用拟动力试验方法研究基座的抗震性能。

2、 模型的制作

模型采用的混凝土和钢筋与原型相同，梁、柱的纵向钢筋均采用HRB400级，箍筋采用HPB300级，混凝土均为C30。模型的混凝土分三次浇筑，第一次浇筑底板，第二次浇筑一层平台和部分柱子，第三次浇筑二层平台和顶梁。模型浇筑完毕养护28天后开始抗震性能试验。模型设备用混凝土块和铸铁块模拟，模型设备质量按相似常数确定，位置摆放与原型相同。

3、拟动力试验

鉴于核电工程的重要性和特殊性，本文没有按现行《建筑抗震设计规范》[4]选择多遇烈度和罕遇烈度进行抗震实验，而是选择了设防地震和罕遇地震作为地震输入进行研究。

3.1地震波的选取

本文选取的是人工合成的地震波。用文献[5-6]的方法生成地震加速度时程曲线。人工合成地震波时应充分考虑实际的地震烈度、场地条件、设计地震分组等因素。选用的地震波的频谱特性应尽量接近抗震设计反应谱的特征周期。本文研究的汽轮发电机基座所在的场地是Ⅱ类场地，设计地震分组为第二组。表1是人工合成地震波的主要参数。

表1人工合成地震波的主要参数

3.2、试验装置

试验装置示意图如图3，由计算机、反力架、电液伺服作动器、控制位移计、荷载传感器等主要设备组成。图4为电液伺服作动器。为了测出地震作用下基座梁和柱的钢筋应变时程，本试验在梁和柱的钢筋上粘贴77个应变片。

表2实验的主要参数

3.3、试验过程

（1）确定试验参数：质量、初始刚度、阻尼比、时间步长，实验的主要参数如表2所示

（2）输入调整后的地震加速度时程、模型的质量、阻尼比以及时间步长。

（3） 通过计算机计算出当前一步的位移反应，由作动器把此位移施加到模型上，并实测出模型在该位移下的恢复力，再由计算机计算在此恢复力下的位移，并再次施加到模型上。

（4）重复上面的过程，直到试验结束。

4、试验结果分析

4.1、结构变形

两种工况下各柱的层间位移角见表3。该基础在设防地震作用下的层间位移角稍大于抗震规范规定的多遇地震作用下的层间位移角限值，且远小于罕遇地震作用下规范规定的弹塑性层间位移角限值[1/50]。由表可知该基础在地震作用下的变形能力符合我国现行抗震设计规范要求[4]。

表3 层间位移角结果

4.2、钢筋应变

本次试验钢筋应变片主要贴在柱头、柱根、梁柱节点处。为了保证数据准确和便于比较，本次试验贴了77个应变片。图5—图8为具有代表性的部分柱子的钢筋应变。从图中可以看出柱子钢筋应变柱根最大，柱子与中间平台交接处钢筋应变最小。柱子两侧对称钢筋受力方向相反，一侧受拉时，另一侧受压。罕遇地震作用下，钢筋的最大应变为1337*10-6 ，由《混凝土结构设计规范》[7]可知钢筋屈服应变约为2000*10-6,仍小于钢筋的屈服应变。

4.3、恢复力-位移曲线

图9和图10是实测的“恢复力-位移”曲线。从图中可以看出，在8度设防地震和8度罕遇地震作用下，当荷载增加到一定程度时，加载曲线的斜率随荷载的增大而略有减小，曲线包围的面积也略有增大。在设防地震作用下荷载在3600kN左右时，在罕

遇地震作用下荷载为-5000kN左右时，曲线的斜率有明显减小，结构的刚度有退化。滞回曲线的形状不饱满，结构已进入非线形阶段，结构开始呈现耗能能力。

4.4、裂缝开展及分布

在8度罕遇地震试验过程中详细观察了结构裂缝的出现位置及发展过程。首次观察到有裂缝的部位是中间平台梁柱节点处，随着荷载的增加，裂缝也在增多，并且原有裂缝有一定的延伸。柱根处裂缝宽度最大，最大裂缝宽度有0.15mm。试验结束后，裂缝不再像试验过程中那么明显，用肉眼很难观察到。由此可以判断，结构在8度罕遇地震作用下基本完好。

5、 结语本文用拟动力试验方法研究了100MW的汽轮发电机组的基础结构的抗震性能。试验结果表明，基础结构在8度设防地震和8度罕遇地震作用下，具有很好的抗震性能。通过结构在地震作用下的变形、钢筋应变、滞回曲线、裂缝开裂及发展

推测出，结构在8度设防地震和8度罕遇地震作用后并没有破坏，甚至不加修复仍可正常使用。

参考文献：

[1] 王宝齐，马华，周锡元，代泽兵，大型汽轮发电机基础抗震性能试验研究[J]。电力建设，2008，29（8）：13~17

[2]安栋。汽轮发电机组弹簧隔振基础抗震性能试验研究[D]。北京：北方工业大学。2010。

[3]向坤。半速大容量汽轮发电机组基础抗震性能试验研究[D]。北京：北方工业大学。2012。

[4] GB50011-2010。建筑抗震设计规范[S]。北京：中国建筑工业出版社，2010

[5]胡聿贤。地震工程学( 第二版)［M］。 北京: 地震出版社，2005

[6]朱祝兵，屈铁军。大型汽机基础地震输入研究［J］。北方工业大学学报，2009，21( 1) : 81 ～ 84

[7] GB50010-2010。混凝土结构设计规范[S]。北京：中国建筑工业出版社，2010