Методика расчета спектров ответа на отметках установки оборудования ГЭС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Козинец Павел Викторович

• Козинец Павел Викторович
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Козинец Павел Викторович

Введение

1 Анализ теоретических и практических методов расчета сейсмической нагрузки бетонных сооружений ГЭС

1.1 Бетонные сооружения гидроэлектростанций с оборудованием на отметках9

1.2 Аварии на подпорных сооружениях, вызванные землетрясениями

1.3 Нормативные спектры ответа на высотных отметках бетонных плотин

1.4 Анализ методов математического моделирования бетонных плотин

1.5 Выводы по первой главе

2 Метод расчета спектров отклика на отметках расположения оборудования бетонных плотин

2.1 Постановка задачи пространственного моделирования бетонной плотины26

2.2 Математическая интерпретация расчетных исследований

2.3 Выводы по второй главе

3 Расчет спектров ответа на отметках установки оборудования водосбросной плотины

3.1 Апробация метода расчета спектров отклика на примере водосбросной плотины русловой ГЭС

3.2 Анализ исследований динамических характеристик бетонных сооружений45

3.3 Метод расчета сейсмической нагрузки для оборудования, стоящего на отметках бетонной плотины

3.3.1 Задачи исследования модели «плотина-основание» водосбросной плотины

3.3.2 Анализ форм колебаний водосбросной плотины

3.3.3 Критерий выбора акселерограммы сейсмического воздействия

3.4 Выводы по третьей главе

4 Расчет спектров отклика на примере руслового здания ГЭС

4.1 Особенности проектирования руслового здания ГЭС

4.2 Расчетные исследования в рамках пространственной постановки задачи

4.3 Построение расчетной модели на первом этапе исследований

4.4 Расчет собственных частот и форм колебаний сооружения на втором этапе

исследований

4.5 Вычисление спектров на отметках русловой плотины со зданием ГЭС

Выводы по четвертой главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Словарь терминов

Список литературы

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Методика расчета спектров ответа на отметках установки оборудования ГЭС»

Актуальность темы исследования

Современное развитие гидроэнергетики в мире базируется, в том числе, на гидроэлектростанциях, расположенных в зонах сейсмической активности. Одной из актуальных проблем при проектировании таких уникальных сооружений является обеспечение сейсмостойкости входящего в состав гидроэлектростанции многочисленного механического и турбинного оборудования, обеспечивающего работу ГЭС и выработку электроэнергии.

Аварийные ситуации на гидроэлектростанциях, связанные с землетрясениями, всегда сопряжены с огромными материальными, экологическими и социальными ущербами, поэтому разработка методики расчета сейсмической нагрузки на различных высотных отметках бетонных плотин ГЭС, в опорных узлах расположения оборудования представляет собой актуальную задачу. Следует заметить, что сейсмическая нагрузка на высотной отметке ГЭС значительно отличается от сейсмической нагрузки на грунте в основании сооружения. Актуальность темы исследования подтверждают следующие документы:

- Федеральный Закон от 21 июня 1997 г. №117-ФЗ «О безопасности гидротехнических сооружений»;

- Программа развития гидроэнергетики России до 2030 г., принятая Федеральным агентством по науке и инновациям, реализуемая ПАО РусГидро.

Особое внимание в этих документах уделено гидроэлектростанциям, расположенным в зонах сейсмической активности, аварии на которых могут привести к катастрофическим последствиям.

Степень разработанности темы исследования

Действующая нормативная база, обеспечивая в целом достаточно высокий технический уровень проектных решений, имеет ряд ограничений и упрощений и не соответствует современным требованиям к расчетному обоснованию отклика оборудования ГЭС, стоящего на высотных отметках бетонных сооружений, на сейсмическое воздействие. Традиционный подход не учитывает, в полной мере,

влияния динамических характеристик сооружения и оборудования на сейсмические воздействия при землетрясении. Нормативные документы регламентируют усредненный спектр ответа с ограничениями высотных отметок установки оборудования. Применение математического моделирования сооружений, позволяет совершенствовать метод расчета сейсмической нагрузки (спектров ответа) на отметках установки оборудования бетонных плотин ГЭС.

Цель работы состоит в разработке усовершенствованной методики расчета спектров отклика на отметках установки оборудования бетонных сооружений гидроэлектростанций.

В соответствии с поставленной целью решены следующие задачи:

1. Определен перечень бетонных сооружений в составе ГЭС и установленного на них оборудования (русловые плотины со зданием ГЭС, водосбросные плотины).

2. Разработан метод расчета спектров отклика на отметках установки оборудования бетонных сооружений гидроэлектростанций.

3. Разработан алгоритм выбора расчетной акселерограммы из списка акселерограмм, полученных в результате сейсморайонирования на участке проектирования ГЭС.

4. Построены верифицированные пространственные расчетные модели бетонных сооружений ГЭС, предназначенные для расчета спектров отклика на сейсмическое воздействие на отметках установки оборудования.

5. Выполнены численные исследования бетонных сооружений гидроэлектростанций в динамической постановке для определения спектров ответа на отметках установки оборудования ГЭС с целью сопоставления результатов расчета со значениями нормативных спектров.

Объект исследования: бетонные сооружения гидроэлектростанций с оборудованием на высотных отметках.

Предмет исследования: методы динамического расчета бетонных сооружений ГЭС.

Научная новизна работы:

1. Разработана и обоснована усовершенствованная методика расчета спектров ответа на отметках установки оборудования бетонных сооружений ГЭС, отличающаяся от нормативной тем, что адекватно учитывает динамические характеристики сооружения и основания.

2. Впервые представлены критерии выбора расчетной акселерограммы сейсмического воздействия, полученной методом микросейсморайонирования для площадки строительства ГЭС.

3. Построены и верифицированы расчетные модели сооружений, позволяющие выполнять расчеты спектров ответа непосредственно на отметках установки оборудования бетонных сооружений ГЭС.

4. Выполнено сравнение результатов исследований с нормативными данными, которое показало, что предложенный метод является более точным.

Теоретическая значимость работы заключается в разработке методики расчета спектров отклика на сейсмическое воздействие на отметках установки оборудования ГЭС на основе верифицированных расчетных моделей бетонных сооружений ГЭС, что обеспечивает сейсмостойкость сооружения и оборудования в целом.

Предложены критерии выбора расчетной акселерограммы сейсмического воздействия, полученной методом микросейсморайонирования для площадки строительства ГЭС.

Выявлены условия возникновения резонанса на отметках установки оборудования при динамическом воздействии, возникающем при землетрясении.

Практическая значимость работы.

Построены верифицированные пространственные численные модели бетонных сооружений ГЭС, позволяющие в реальном времени выполнять комплекс динамических исследований сооружения с оборудованием, с учетом изменения физических характеристик материалов расчетной модели и сейсмических нагрузок.

Результаты расчетных исследований использованы при проектировании и реконструкции механического оборудования гидротехнических сооружений: Гоцатлинской ГЭС, Нижне-Бурейской ГЭС, Майнской ГЭС, Зарамагской ГЭС.

Методология и методы исследования.

Методология расчета спектров отклика на землетрясение на отметках установки оборудования бетонных сооружений ГЭС основана на использовании численных методов математического моделирования. Исследования выполнены в среде универсального программного комплекса Cosmos/m, реализующего метод конечных элементов (пакет программ Solid WORKS Simulation).

Положения, выносимые на защиту:

1. Расчетные модели бетонных плотин в составе ГЭС и установленного на их отметках оборудования.

2. Методика расчета спектров отклика на отметках установки оборудования бетонных сооружений гидроэлектростанций.

3. Критерии выбора расчетных акселерограмм, полученных в результате микросейсморайонирования и используемых в разработанном методе расчета.

4. Численные исследования расчетных спектров ответа на отметках установки оборудования бетонных сооружений ГЭС, анализ возникающих явлений резонанса, сравнение результатов расчетов с нормативными данными.

Личный вклад автора состоит в построении расчетных конечно-элементных моделей бетонных сооружений ГЭС с учетом установленного оборудования, разработке и внедрении методики расчета спектров отклика на отметках установки оборудования ГЭС, выборе расчетной акселерограммы сейсмического воздействия на площадке строительства ГЭС, выполнении расчетов спектров отклика в узлах расчетной модели, соответствующих отметкам установки оборудования, сравнении результатов значений расчетных спектров с нормативными данными, подготовке и написании публикаций, содержащих основные результаты исследования, выступлении с докладами на всероссийских и международных конференциях.

Степень достоверности проведенных исследований обеспечивается приведенными в работе научными положениями, выводами и рекомендациями, которые основываются на действующих методических рекомендациях, нормативных документах, а также качественным согласием с результатами решения задач по существующим методическим документам на программном обеспечении, прошедшем валидацию и верификацию.

Ценность научных исследований состоит в следующем:

Результаты исследований направлены на развитие теоретических и практических методов расчета бетонных сооружений ГЭС с оборудованием на высотных отметках, работающих в зонах сейсмической активности.

Областью математического моделирования и исследования явились бетонные сооружения ГЭС, на отметках установки оборудования которых, на основе нового метода расчета, выполнены расчеты спектров отклика и проведено сравнение с данными нормативных спектров.

Решены задачи, связанные с повышением безопасности гидроэлектростанций, работающих в зонах землетрясений.

Апробация полученных результатов.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Неделя науки СПбПУ», Санкт-Петербург, (2024 г.), на Научно-технической конференции во ВНИИГ имени Б.Е. Веденеева, на международной конференции по гидротехнике в МГУП (Москва, 2025 г.), на 2 международной конференции по « Civil, Industrial, and Construction 2025» (Санкт - Петербург, 2025 г.) на заседаниях Высшей школы Гидротехнического и энергетического строительства СПбПУ, 2013-2014 гг.

1 Анализ теоретических и практических методов расчета сейсмической

нагрузки бетонных сооружений ГЭС

1.1 Бетонные сооружения гидроэлектростанций с оборудованием на

отметках

Водосбросные и русловые бетонные плотины со здание ГЭС являются подпорными сооружениями гидроэлектростанций, определяющими надежность работы ГЭС в целом. К наиболее ответственным бетонным сооружениям относятся станционные плотины со зданием ГЭС и водосбросные плотины на отметках которых сосредоточено оборудование, обеспечивающее работу гидроэлектростанции.

Сооружение русловой приплотинной гидроэлектростанции со зданием ГЭС представляет собой водоподпорное сооружение со станционной плотиной со стороны верхнего бьефа и зданием ГЭС, расположенным за плотиной.

В таких сооружениях вода подводится от водоприемной части плотины по водопроводящему тракту к турбинам, расположенным в здании ГЭС.

Примерами таких гидроэлектростанций являются Нижне - Бурейская ГЭС на р. Бурея, ее прототипом является Майнская ГЭС на реке Енисей.

Большинство гидроэлектростанций работают в зонах сейсмической активности от 7 до 9 баллов.

Следует заметить, что около 25% территории России находится в зонах сейсмической активности более 7 баллов, Рисунок 1.1 На этой территории построены самые крупные гидроэлектростанции, такие как Чиркейская ГЭС на реке Сулак, Зарамагские ГЭС на реке Ардон, Ирганайская ГЭС и Гоцатлинская ГЭС на реке Аварское Койсу, расположенные на Северном Кавказе.

Саяно - Шушенская ГЭС, Майнская ГЭС, Красноярская ГЭС на реке Енисей, Бурейская ГЭС, Нижне - Бурейская ГЭС на реке Бурея, Зейская ГЭС на реке Зея, расположенные в Сибири и на Дальнем Востоке.

Рисунок 1.1 - Территории России с зонами сейсмической активности

Состав бетонных сооружений гидроэлектростанций и основного оборудования на высотных отметках представлен в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Бетонные сооружения ГЭС с оборудованием на отметках

Русловое здание ГЭС Водосбросная плотина

1. Затвор и сороудерживающая решетка на отметке водоприемника 2. Кран козловой на отметке бычков плотины 3. Трансформатор 4. Статор турбины 5. Кран козловой на отметке бычков отсасывающих труб 6. Затвор на отметке порога отсасывающих труб 1. Кран козловой на отметке бычков плотины 2. Сегментный затвор на отметке порога водосброса 3. Опорный шарнир сегментного затвора 4. Аварийно - ремонтный затвор на пороге

В работе исследованы станционные и водосбросные плотины с механическим, подъемным, трансформаторным и турбинным оборудованием, расположенным на высотных отметках сооружения.

Таким образом, обоснование сейсмостойкости сооружений гидроэлектростанций с оборудованием является важной задачей, решение которой обеспечивает безаварийную работу ГЭС, построенных в зонах землетрясений.

При больших сейсмических нагрузках остро встает вопрос безаварийной работы гидроэлектростанции, поэтому важно максимально точно определить сейсмическую нагрузку на сооружении и на отметках установки оборудования.

Следует заметить, что при совместной работе бетонного сооружения и оборудования в условиях землетрясения следует исключить возможные резонансные явления, которые возникают при совпадении собственных частот сооружения и/или оборудования и возмущающих частот при землетрясении.

Не случайно, проектирование бетонных плотин ГЭС, работающих в зонах сейсмической активности, требует учета точной сейсмической нагрузки, так как аварийные ситуации на плотинах могут привести к тяжелым последствиям.

Для примера приведем лишь несколько больших катастроф на гидроузлах, построенных в зонах сейсмической активности.

В мировой практике известно более 20 случаев повреждений бетонных плотин, в основном плотины получили повреждения в виде трещин. Повреждения бетонных плотин наблюдаются лишь от землетрясений интенсивностью от 7 баллов и более [1].

1.2 Аварии на подпорных сооружениях, вызванные землетрясениями

Землетрясения представляют большую опасность для гидроузлов. Статистика свидетельствует, что аварии на водоподпорных сооружениях, связанные с землетрясением, насчитывают десятки, а с учетом земляных дамб - сотни случаев, в том числе для высоких плотин различных конструкций [1].

Приведем примеры разрушений больших плотин, испытавших мощное сейсмическое воздействие.

Известны серьезные аварии и повреждения, вызванные сейсмическим воздействием, произошли на бетонных плотинах - Понтебо (высота 10 м, Алжир), Каньон Дель Пато (20 м, Перу), Синьфынцзян (105 м, Китай), Койна (103 м, Индия), Пакойма (113 м, США), Сефидруд (106 м, Иран), Шикань (25 м, Тайвань) [1].

Случаи разрушений плотин сильных землетрясений интенсивностью более 7 баллов известны при строительстве Асуанской плотины в Египте, плотины Койна в Индии, Кариба в Родезии, Лейк Мид в США.

Так, например, при разрушении плотины Койна в Индии погибло 177 человек, был причинен большой экономический ущерб.

Одна из самых смертоносных техногенных катастроф в истории человечества произошла в Китае 8 августа 1975 года.

Суперциклон «Нина». Этот циклон сформировался 31 июля 1975 года в Филиппинском море в результате землетрясения и двинулся в провинцию Хэнань к гидроузлу Баньцяо. Среди сооружений гидроузла рухнула и водосбросная плотина, расчеты которой были выполнены с ошибками. В результате аварии непосредственно волной смыло 26 000 человек, некоторые источники называют около 230 000 погибших от голода и инфекции [1].

К крупнейшим техногенным авариям в мире относится авария на Саяно-Шушенской ГЭС на р. Енисей, произошедшая в августе 2009 года.

Саяно-Шушенская ГЭС на реке Енисей является самой крупной гидроэлектростанцией России. ГЭС расположена в Хакасских горах на юге Красноярского края. Сейсмичность района составляет 8 баллов.

В состав сооружений Саяно-Шушенской ГЭС входит бетонная арочно-гравитационная плотина высотой 245 м с приплотинным зданием ГЭС, в котором расположены 10 радиально-осевых турбин. Ниже по течению Енисея расположена русловая Майнская гидроэлектростанция, составляющая с Саяно-Шушенской ГЭС единый комплекс.

Следует заметить, что в процессе эксплуатации в теле плотины произошли горизонтальные трещины на ее нижних отметках. Инъекции специальным раствором способствовали локализации трещин и уменьшению фильтраций. При этом плотина наклонилась в сторону нижнего бьефа и получила необратимые деформации. Крупнейшая техногенная авария на ГЭС России произошла из - за отрыва шпилек крышки турбины второго агрегата ГЭС, погибло 75 человек персонала станции. В этой связи стоит отметить, что не стоит исключать факт периодически повторяющихся землетрясений 5, 6 баллов вблизи створа ГЭС и возникающих при этом локальных резонансов с работающим оборудованием станции.

Обозначим основные принципы сейсмостойкого строительства бетонных плотин.

При обеспечении сейсмостойкости гидроэлектростанций именно плотины являются наиболее опасными сооружениями. Плотины, аккумулируют большие водохранилища, удерживают большие напоры воды. Прорыв плотины, ввиду образовавшихся трещин при землетрясении может привести к глобальной катастрофе с огромными ущербами. Поэтому точный учет сейсмического воздействия, позволяет предотвратить полное разрушение плотины при землетрясении.

При землетрясении в толщах грунта возникают волновые инерционные силы, величина и направление которых определяется при помощи оборудования сейсмостанций. Запись сейсмических воздействий - акселерограмма - это зависимость изменения ускорений от времени прохождения сейсмической волны. Толчки землетрясений вызывают колебания плотин и, как следствие, колебания оборудования на высотных отметках плотин. Совпадение амплитуд этих колебаний может привести к резонансам и возможным частичным или полным разрушениям сооружений и оборудования.

1.3 Нормативные спектры ответа на высотных отметках бетонных плотин

В настоящее время действующие российские нормативные документы предусматривают расчет сейсмических нагрузок для сооружений ГЭС [2-4].

Следует заметить, что на отметках бетонных плотин располагается механическое, турбинное и трансформаторное оборудование.

Для проектируемых сооружений расчетные спектры ответа для оборудования на высотных отметках бетонных плотин регламентированы согласно балльности землетрясения и уровня установки оборудования над нулевой отметкой, что является усредненным и упрощенным решением, требующим уточнения, таблица 1.2, Рисунок 1.2. Анализируя таблицу 1.2, можно заключить следующее:

1. Значения коэффициентов для уровней над нулевой отметкой при уменьшении балльности землетрясения на 1 балл уменьшаются в 2 раза.

2. Значения коэффициентов для уровней над нулевой отметкой определены только для трех характерных отметок сооружения: 70-30 м, 20 м, 10 м.

Следует заметить, что коэффициенты (таблица 1.2) регламентированы для плотин высотой до 70 м, а если плотина, например 100 м и выше, в нормах не определено какой коэффициент следует принимать. Также не ясно определение данных коэффициентов для отметок между указанными значениями, например для 50 м, 25 м или 15 м.

Нормативные спектры очень условные, а значит и расчеты оборудования по этим спектрам не могут быть точными. На Рисунках 1.2-1.4 представлены нормативные спектры для уровней до 10 м включительно над нулевой отметкой для уровней землетрясения в 9 баллов, 8 баллов и 7 баллов [4]. За нулевую отметку принимается, как правило, отметка подошвы бетонной плотины по линии контакта с грунтовым основанием. Превышение над нулевой отметкой определяется в метрах.

Влияние свойств грунта основания в нормативных спектрах не учитывается, как и значения физических характеристик и упругих свойств бетонной плотины.

Следует заметить, что при изменении физических характеристик бетона и основания, а также при возникновении трещин, нормативный спектр не меняется.

Таблица 1.2 - Коэффициенты для уровней установки оборудования над

нулевой отметкой по баллам землетрясений

Землетрясение, баллы по МБК-64, ГОСТ Р 575462017 Коэффициент для уровней над нулевой отметкой, м

70 - 30 20 10 и ниже

9 2,5 2 1

8 1,25 1 0,5

7 0,6 0,5 0,25

6 0,3 0,25 0,12

30

Частота Гц

-•-5% —2%

е о н ь

и с

сак

е о н т е ч с а Р

Обобщенные спектры ответа (горизонтальное направление,

9 баллов по МБК-64)

20

18

16

14

СЧ

О 12

е, 10

и

н 8

е р

о

к с 6

у

4

2

0

0

5

10

15

20

25

Нормативный спектр регламентирован только для одного горизонтального направления сейсмической нагрузки. Для второго горизонтального и вертикального направлений спектр принимается с понижающим коэффициентом, равным 0,7.

Нормативный спектр является усредненным графиком, не позволяющим оценить пиковые значения ускорений и определить резонансные частоты при совместной работе сооружения и оборудования. Кроме того, спектры не учитывают различные направления сейсмической нагрузки.

На рисунках 1.3 и 1.4 приведены нормативные спектры для землетрясения 8 и 7 баллов соответственно.

По графику можно оценить только диапазон частот для усредненных ускорений. Следует отметить, что для стальных конструкций расчетное ускорение увеличивается в 1,6 раза по сравнению с бетонными и железобетонными конструкциями, в связи с тем, что сварные стальные конструкции являются менее жесткими, по сравнению с бетонными.

Обобщенные спектры ответа (горизонтальное направление, 8 баллов по ЫБК-64)

9 8

ь 0

0

5

10

15

20

25

30

Частота, Гц

5%

-•-2%

<u о x

hQ

Обобщенные спектры ответа (горизонтальное направление,

7 баллов по MSK-64)

4,5 4 3,5

3

2

S 2

g U 2,5 Э s s s

2 О

w и

Н О 1 С

И ^ 1,5

tr

с а

Рн 1

0,5 0

0

5

10

5%

15

2%

20

25 30

Частота, Гц

Рисунок 1.4 - Нормативные спектры ответа (горизонтальное направление), 7 баллов, демпфирование 5% (бетон), 2% (сталь)

Как видно из Рисунков 1.2 - 1.4, при уменьшении балльности землетрясения на 1 балл, значения расчетных максимальных ускорений соответственно уменьшаются в 2 раза. Такие упрощения не в полной мере направлены на обоснование безопасности работы плотин с оборудованием на отметках.

1.4 Анализ методов математического моделирования бетонных плотин

В настоящее время расчетное моделирование бетонных плотин выполняется как в плоской, так и в пространственной постановке на основании уравнений строительной механики. Главные положения этой методики отражены в трудах Беляева Н.М. [5], Уманского А.А., Вольмира А.С. [6].

Существующие Нормы расчета гидротехнических сооружений [7] опираются на правила строительной механики и предполагают раздельный расчет составляющих элементов сложного сооружения.

Вместе с тем, влияние динамических характеристик бетонных плотин на механическое и гидротурбинное оборудование, расположенное на отметках плотин недостаточно изучено.

На сегодняшний день, расчет прочности бетонных плотин выполняется в соответствии метода предельных состояний [8].

По первой группе предельных состояний вычисляется прочность, и устойчивость плотин, которые определяют работу сооружения без ограничений.

По второй группе предельных состояний допускается наличие трещин и иных дефектов в бетонной плотине, затрудняющих ее нормальную эксплуатацию.

Так, например, арочно - гравитационная плотина Саяно - Шушенской ГЭС получила необратимые деформации в период наполнения водохранилища и в настоящее время работает при условии ограничений уровня верхнего бьефа.

Следует заметить, что требование критерия прочности бетонной плотины состоит в том, чтобы расчетные величины напряжений в бетоне не превышали критериальных предельных значений [9-12].

Для учета предельных состояний необходимо учитывать правильный выбор наиболее неблагоприятных сочетаний нагрузок.

Расчеты прочности механического оборудования выполняются на основании Руководящего Документа треста «Гидромонтаж» [13].

Особое сочетание нагрузок включает в себя основное сочетание и одну особую нагрузку.

В расчетах плотин, работающих в зонах сейсмической активности, принимается ряд сочетаний нагрузок, где одной из особых нагрузок является сейсмическое воздействие [12], (см. таблицу 1.3).

Таблица 1.3 - Нагрузки и сочетания

Категория Нагрузки на сооружение

Постоянные Собственный вес конструкции

Временные длительные Вес оборудования на отметках

Временные длительные Гидростатическое давление при НПУ; Сезонные температурные нагрузки

Особые Гидростатическое давление при ФПУ; Сейсмические нагрузки

Особое сочетание Основное сочетание нагрузок + одна из особых

Строительство гидроэлектростанций базируется на постоянном развитии теоретических и практических методов обоснования безопасной работы гидроэлектростанций. Следует отметить труды Арефьева Н.В. [14-16], Васильева Ю.С., Кубышкина Л.И., Морозова А.А. [17-18], Федорова М.П., Шульмана С.Г. [19], внесших значительный вклад в совершенствование проектирования уникальных гидротехнических сооружений.

Следует заметить, что с конца 70-х годов прошлого века на кафедре «Использования водной энергии» под руководством Васильева Ю.С. успешно выполнялись исследования по математическому моделированию сооружений в составе гидроэлектростанций и была положена основа математического моделирования бетонных плотин методом конечных элементов с использованием компьютерной техники. Задачи решались на ЭВМ ЕС 1022.

Математическому моделированию посвящены труды ученых Тернера М., Клафа Р., Мартина Г., Болотина В.В., Вестергарда Г., Галеркина Б.Г., Лурье А.И., Ньюмарка Н., которые занимались разработкой численных методов.

Работы Вильсона Е., Зенкевича О., Шульмана С.Г., Розина Л.А., Постнова В.А., определившие дальнейшее теоретическое и прикладное развитие численных методов.

Исследования Арефьева Н.И., Лисичкина С.Е., Белостоцкого А. М., Муравьева О.А. , в которых выполнено решение задач методом математического моделирования гидроэлектростанций.

Труды Бирбраера А.Н., Айзенберга Я.Н., Рассказова Л.Н., в которых выполнены расчеты прочности и сейсмостойкости сооружений.

Исследования Шипилова А.В., Штильмана В.Б., в которых выполнено обоснование надежности работы оборудования гидротехнических сооружений.

Работы Савича А.И., Дейнеко А.В., в которых изучались свойства скальных оснований гидроэлектростанций.

В России в настоящее время используется ряд нормативных документов для расчета сейсмостойкости бетонных сооружений ГЭС. К нормативным документам относятся: СП 358.1325800.2017 Сооружения гидротехнические. Правила проектирования и строительства в сейсмических районах; СП 58.13330.2019 Свод правил «Гидротехнические сооружения. Основные положения»; СП 14.13330.2018. Свод правил. Строительство в сейсмических районах; ГОСТ 30546.1-98 Межгосударственный стандарт «Общие требования к машинам, приборам и другим техническим изделиям и методы расчета их сложных конструкций в части сейсмостойкости».

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Козинец Павел Викторович, 2025 год

/ / / /

Рисунок 3.4 - Первая форма колебаний с частотой - 4,42 Гц

Вторая форма колебаний с частотой 5,02 Гц показывает общие горизонтальные колебания бычков (Рисунок 3.5). Бетон водосброса и средний

бычок не участвуют в колебаниях. Два крайних бычка колеблются в поперечном направлении. Кроме того, верхние части бычков испытывают кручение.

Рисунок 3.5 - Вторая форма колебаний с частотой - 5,02 Гц

Четвертая форма колебаний с частотой 6,11 Гц представляет собой общие колебания плотины, в колебательный процесс включается весь водослив и все бычки сооружения. Наибольшие относительные деформации испытывают бычки сооружения, Рисунок 3.6.

По четвертой форме колебаний в колебательный процесс вовлекается оборудование на всех отметках сооружения. Эта форма колебаний является опасной при землетрясении для каждой единицы оборудования.

Рисунок 3.6 -Четвертая форма колебаний с частотой - 6,11 Гц

Восьмая форма колебаний с частотой 7,93 Гц представляет собой общие колебания с кручением по оси OY всех бычков сооружения, (Рисунок 3.7). Водослив не вовлекается в колебательный процесс.

Кручение бычков происходит при одновременном действии продольных и поперечных деформаций.

Рисунок 3.7 -Восьмая форма колебаний с частотой - 7,92Гц

Девятая форма колебаний с частотой 9,54 Гц представляет собой общие колебания бычков плотины с кручением, в колебательный процесс включается водослив. Наибольшие относительные деформации испытывают бычки сооружения, Рисунок 3.8.

0ир_1?е8

(в. «1151598« 9.®1®в8в®«в в .9(86451«« -А-в.вв721«1в« Н.в.0«577510в _ 8 . ®®4 34 ®1ФО Щ_в.в«290519в В в.в«147в1«в ®-3.5131Е-в«5

Рисунок 3.8 -Девятая форма колебаний с частотой - 9,54 Гц

Десятая форма колебаний с частотой 10,05 Гц представляет собой общие колебания с кручением поперек потока бычков водосбросной плотины (Рисунок 3.9). Водослив вовлекается в колебательный процесс.

F_Mode=19 18.0542 Hz

Dlsp_Res

--® 0873462®

0064571® 0055679® 0046788® 0037897® 0023006® 0029115® 0011223® 00923321

Рисунок 3.9 - Десятая форма колебаний с частотой 10,05 Гц

Двенадцатая форма колебаний с частотой 11,6 Гц представляет собой общие колебания бычков и водослива, (Рисунок 3.10).

Рисунок 3.10 - Двенадцатая форма колебаний с частотой - 11,6 Гц

Двадцать седьмая форма колебаний с частотой 1 9,97 Гц представляет собой общие колебания водосброса, (Рисунок 3.11). Водосброс начинает колебаться совместно с основанием, таким образом 27 форм колебаний достаточно для анализа форм и частот колебаний.

Рисунок 3.11 - Двадцать седьмая форма колебаний с частотой - 19,97 Гц

Следует заметить, что целостность скального грунтового основания влияет на формы и частоты колебаний. В случае трещин в основании частоты изменяются. Выполним проверку частот колебаний водосбросной плотины при условии локального разуплотнения грунта в основании водослива.

Локальная трещина (разуплотнение) смоделировано путем уменьшения модуля упругости грунта. В пределах разуплотнения физические характеристики грунта заданы:

1. Плотность р гр. = 2,35 т/м3.

2. Модуль упругости Е = 5 • 105 кПа.

3. Коэффициент Пуассона V = 0,35.

На Рисунке 3.12 показана расчетная модель водосбросной плотины с основанием. Желтым цветом выделена локальная зона разуплотнения грунта (вертикальная трещина).

Рисунок 3.12 - Расчетная модель водосбросной плотины с основанием, желтым цветом выделена локальная зона разуплотнения грунта

Выполнен расчет частот 30 частот колебаний водосбросной плотины в диапазоне от 4,42 до 15,41 Гц с учетом локальной зоны разуплотнения грунта, таблица 3.2. Следует заметить, что первые 6 собственных частот и форм совпадают с частотами и формами модели без учета разуплотнения грунта. Далее, при вовлечении в колебательный процесс водослива частоты и формы не совпадают.

Таблица 3.2 - Формы и частоты собственных колебаний сооружения

№ формы Частота (рад/с) Частота (Гц) Период (с)

1 27,8014 4,4247 0,2260

2 31,5978 5,0290 0,1988

3 35,3013 5,6184 0,1780

4 38,2059 6,0807 0,1645

5 39,8990 6,3501 0,1575

6 41,5799 6,6176 0,1511

7 45,2884 7,2079 0,1387

8 46,8847 7,4619 0,1340

9 49,7971 7,9255 0,1262

10 54,3376 8,6481 0,1156

11 56,2258 8,9486 0,1117

12 58,7409 9,3489 0,1070

13 59,9050 9,5342 0,1049

14 61,9907 9,8661 0,1014

15 62,8688 10,0059 0,0999

16 63,9186 10,1730 0,0983

17 64,5467 10,2729 0,0973

18 65,4812 10,4217 0,0960

19 67,8250 10,7947 0,0926

20 68,0170 10,8252 0,0924

21 68,2821 10,8674 0,0920

22 68,8645 10,9601 0,0912

23 72,9167 11,6051 0,0862

24 73,4357 11,6876 0,0856

25 77,8424 12,3890 0,0807

26 81,5740 12,9829 0,0770

27 82,4870 13,1282 0,0762

28 88,0400 14,0120 0,0714

29 94,3483 15,0160 0,0666

30 96,8643 15,4164 0,0649

На Рисунке 3.13 показана расчетная модель водосбросной плотины с основанием. Желтым цветом выделена большая зона разуплотнения грунта за водосливом. Такая зона разуплотнения может возникнуть при длительной эксплуатации водосброса.

Физические характеристики грунта будут иметь следующие значения -плотность р гр. = 2,35 т/м3, модуль упругости Е = 5 • 105 кПа, коэффициент Пуассона V = 0,35.

Рисунок 3.13 - Расчетная модель водосбросной плотины с основанием, желтым цветом выделена большая зона разуплотнения грунта за водосливом

Выполнен расчет частот 30 частот колебаний водосбросной плотины с учетом большой зоны разуплотнения грунта за водосливом в диапазоне от 4,42 Гц до 12,67 Гц, таблица 3.3. Следует заметить, что первая собственная частота и форма колебаний совпадают с частотами и формами модели без учета разуплотнения грунта. Далее, при вовлечении в колебательный процесс водослива частоты и формы не совпадают.

Таблица 3.3 - Формы и частоты собственных колебаний сооружения

№ формы Частота (рад/с) Частота (Гц) Период (с)

1 27,7553 4,4174 0,2264

2 29,3015 4,6635 0,2144

3 30,2245 4,8104 0,2079

4 31,5901 5,0277 0,1989

5 34,7839 5,5360 0,1806

6 35,2970 5,6177 0,1780

7 35,6673 5,6766 0,1762

8 39,2198 6,2420 0,1602

9 41,5379 6,6110 0,1513

10 43,2782 6,8880 0,1452

11 45,0159 7,1645 0,1396

12 49,3055 7,8472 0,1274

13 54,2783 8,6387 0,1158

14 54,4579 8,6673 0,1154

15 56,5107 8,9940 0,1112

16 57,8679 9,2100 0,1086

17 59,5630 9,4797 0,1055

18 60,2650 9,5915 0,1043

19 61,5926 9,8028 0,1020

20 66,7662 10,6262 0,0941

21 67,2383 10,7013 0,0934

22 68,1835 10,8517 0,0922

23 69,5340 11,0667 0,0904

24 72,1844 11,4885 0,0870

25 72,3961 11,5222 0,0868

26 74,8764 11,9170 0,0839

27 75,6779 12,0445 0,0830

28 76,8107 12,2248 0,0818

29 77,6917 12,3650 0,0809

30 79,6326 12,6739 0,0789

Первая форма колебаний с частотой 4,42 Гц вызывает общие колебания всех бычков плотины, Рисунок 3.14. Водосброс не вовлечен в колебательный процесс.

Рисунок 3.14 - Первая форма колебаний с частотой 4,42 Гц водосбросной плотины с учетом большой зоны разуплотнения грунта за водосливом

Динамические расчеты плотины выполнены для исходного варианта водосбросной плотины со скальным основанием без трещин.

Выполнен линейный временной анализ, при котором материалы бетона сооружения и грунты основания принимаются линейно-упругими, а геометрическая и конструктивная нелинейности в поведении системы «сооружение - основание» отсутствуют.

Динамическое сейсмическое воздействие на сооружение задано с помощью трехкомпонентной расчетной акселерограммы, представленной на Рисунке 3.13. Длительность акселерограммы 8 с. Пиковые значения ускорений для каждой из

компонент составляют 1.0 м/с2. Значения коэффициента затухания колебаний для бетона составляют 0,05.

Для оценки резонансных явлений выполнена генерация спектров ответа с помощью решения интеграла Дюамеля:

где - динамическое воздействие, заданное акселерограммой, длительность которой от 0 с до 8 с. ю - собственная круговая частота (рад/с), £ = 0.05 -безразмерный коэффициент демпфирования для бетонных сооружений.

3.3.3 Критерий выбора акселерограммы сейсмического воздействия

Спектры ответа на отметках установки оборудования определены с использованием расчетной трехкомпонентной акселерограммы для уровня МРЗ 7 баллов (максимальное расчетное землетрясение) площадки строительства водосбросной плотины Нижне-Бурейской ГЭС.

Акселерограммы сейсмического воздействия получены в Центре Геодинамических исследований под руководством доктора физико -математических наук Анатолия Игоревича Савича [7], список трехкомпонентных акселерограмм представлен в таблице 3.4.

Для выбора расчетных акселерограмм использованы данные ряда расчетных трехкомпонентных акселерограмм, нормированных для ^ - ускорение свободного падения) площадки строительства Нижне - Бурейской ГЭС.

Преобладающий период по горизонтальной компоненте Г1 - 0,24 с, Г2 - 0,16 с, Вертикальная компонента - 0,26 с, таблица 3.4.

Выбор данной акселерограммы сделан в соответствии с расчетным периодом водосбросной плотины Нижне-Бурейской ГЭС, составляющим 0,24 с, отвечающему первой форме колебаний с частотой - 4,23 Гц.

(3.1)

Шифр расчетной акселерограммы: горизонтальная компонента Г1 - БМии/В-SRO270, горизонтальная компонента Г2 FRIULI/B-SRO000, вертикальная компонента В1 FRIULI/B-SRO-UP

Преобладающий период по горизонтальной компоненте Г1 - 0,24 с, Г2 - 0,16 с, Вертикальная компонента - 0,26 с, таблица 3.4.

Таблица 3.4 - Список трехкомпонентных акселерограмм

№ 3-х комп. Аксел. Компо нента Шифр Аксел. А1, с Кол. точек Т03, с Т05, с Т07, с 1тах, с Атах, 8 1тт, с Атт, 8 TS, с ASmax, 8

8 Г1 SFERN/ БТЯ326 0,01 3000 2,18 1,35 0,41 1,28 1,00 0,89 0,848 0,24 3,469

Г2 SFERN/ FTR056 0,01 3000 6,41 1,96 1,01 1,27 1,00 1,62 0,847 0,26 4,537

В SFERN/ FTR-UP 0,01 3000 14,48 10,36 5,35 0,92 1,00 1,97 0,889 0,04 3,091

9 Г1 SFERN/ FSD262 0,005 7997 6,065 1,655 1,575 1,370 1,00 1,305 0,943 0,10 4,524

Г2 SFERN/ FSD172 0,005 7997 10,38 2,465 0,505 0,605 1,00 0,545 0,885 0,10 4,782

В SFERN/ FSD-UP 0,005 7997 11,025 3,24 1,41 0,555 0,732 0,835 -1,00 0,10 4,438

10 Г1 FRIULI/B 8Я0270 0,005 3291 3,785 2,78 0,185 2,15 0,926 2,01 -1,00 0,24 3,629

Г2 FRIULI/B SR0000 0,005 3291 4,925 3,245 1,895 3,07 0,928 2,18 -1,00 0,16 3,390

В FRIULI/B SR0-UP 0,005 3291 4,565 3,245 0,965 2,42 1,00 2,315 0,854 0,26 2,789

11 Г1 ВАМ/Ь 0,005 13310 6,675 6,6 6,23 23,73 1,00 18,98 -0,84 0,2 3,716

Г2 ВАМ/Т 0,005 13310 8,48 7,075 4,425 19,59 0,982 20,22 -1,00 0,22 4,248

В ВАМ/У 0,005 13310 7,155 4,93 1,475 18,715 0,803 18,98 -1,00 0,1 3,705

Характеристики акселерограммы указанные в таблице 3.4: А1 - шаг табуляции, А - амплитуда пикового ускорения, Т- период при максимальной амплитуде ускорения, т - длительность на уровнях 0,7; 0,5; и 0,3 максимальной интенсивности колебаний. AS - амплитуда пикового спектрального ускорения, ТS - период при

максимальной амплитуде спектрального воздействия, Г1 - максимальная горизонтальная компонента, Г2 - вторая горизонтальная компонента, В -вертикальная компонента.

Выбор данной акселерограммы сделан в соответствии с расчетным периодом водосбросной плотины Нижне-Бурейской ГЭС, составляющим 0,24 с., который соответствует первой форме колебаний водосбросной плотины с частотой - 4,42 Гц. Красная линия - горизонтальная компонента Г1 - FRIULI/B-SRO270. Синяя линия - горизонтальная компонента Г2 FRIULI/B-SRO000. Зеленая линия -вертикальная компонента В1 FRIULI/B-SRO-UP. Акселерограмма сейсмического воздействия - зависимость ускорений от времени представлена для горизонтальной АХ (вдоль потока, красная), горизонтальной АY (поперек потока, синяя); вертикальные (зеленая) AZ компонентам ускорений, Рисунок 3.15. Продолжительность акселелограммы составляет 8 с.

Время, с

Рисунок 3.15 - Расчетная трехкомпонентная акселерограмма (зависимость ускорений м/с2 от времени в секундах)

На воздействие данной акселерограммы вычислены трехкомпонентные спектры отклика на отметках водосбросной плотины по трем направлениям. Для водосбросной плотины определены расчетные узлы на модели на отметках установки оборудования.

Далее, с использованием расчетной акселерограммы выполнены динамические расчеты системы сооружение - основание с решением уравнений движения с разложением по исходным формам колебаний, для выбранных расчетных узлов. Для выбора расчетных акселерограмм использованы данные ряда расчетных трехкомпонентных акселерограмм, нормированных для 18 (8 - ускорение свободного падения) площадки строительства Нижне - Бурейской ГЭС, представленные в таблице 3.4.

Далее выполнен расчет спектров ответа на отметках водосбросной плотины.

Спектры ответа рассчитаны на отметках водосбросной плотины. За нулевую отметку принята отметка подошвы плотины на контакте с основанием плотины, отм. 97.0 м.

Поперечный разрез водосбросной плотины представлен на Рисунке 3.16. Генеральный проектировщик гидроэлектростанции АО «Ленгидропроект». На разрезе показан состав механического оборудования, расположенного на высотных отметках сооружения.

Генерация спектров выполнена для 4 расчетных узлов, на которых расположено оборудование водосбросной плотины.

1. Спектры ответа на отметке верха бычка водосбросной плотины для крана козлового- отм.138.75 расчетный узел №1279, превышение над нулевой отметкой +41.75 м;

2. Спектры ответа на отметке опорного шарнира сегментного основного затвора водосброса - отм.131.1 расчетный узел №1077, превышение над нулевой отметкой +34.1 м;

3. Спектры ответа на отметке гребня водосбросной плотины для сегментного затвора - отм. 121.90 расчетный узел №1845, превышение над нулевой отметкой +24.9 м;

4. Спектры ответа на отметке порога аварийно - ремонтного затвора со стороны верхнего бьефа водосбросной плотины, - отм.107.0 расчетный узел №1880, превышение над нулевой отметкой +10.0 м.

Рисунок 3.16 - Поперечный разрез водосбросной плотины с оборудованием на отметках, номера оборудования - красные цифры

Приняты следующие условные обозначения графиков спектров: красная линия - горизонтальные ускорения АХ-1 (вдоль потока); синяя линия -горизонтальные ускорения АY-2 (поперек потока); зеленая линия - вертикальные ускорения AZ-3; желтая линия - нормативный горизонтальный спектр ответа (7 баллов) для бетонных конструкций; черная линия - нормативный горизонтальный спектр ответа (7 баллов) для стальных конструкций.

Пики спектров подписаны на графиках и выделены в таблицах. Оцифровки представлены до 23,75 Гц, далее графики не содержат пиков и линии спектров практически параллельны.

На Рисунке 3.17 и таблице 3.5 представлены спектры ответа на отметке верха бычка водосбросной плотины отм.138.75. (зависимость ускорений м/с2 от частоты Гц). Пики спектров в таблице выделены. На данные спектры следует выполнять расчет сейсмостойкости подкрановых железобетонных балок для крана козлового, а также металлоконструкцию крана козлового.

Следует заметить, что максимальное значение горизонтального ускорения по оси Х (вдоль потока) расчетного спектра составляет 20,69 м/с2, что в 2 раза превосходит значение нормативного спектра (9,58 м/с2), для металлоконструкции крана козлового и в 3,5 раза (6,06 м/с2), превосходит значение нормативного спектра для подкрановых железобетонных балок.

25,00

АХ-1 ЛУ-2 Л7-3 7 баллов бетон 7 баллов сталь

Рисунок 3.17 - Спектры ответа на отметке верха бычка водосбросной плотины-отм.138.75, превышение над нулевой отметкой +41.75 м

Таблица 3.5 - Спектры ответа верха бычка плотины -отм.138.75, расчетный узел 1279,

Кран козловой

№ Частота, Частота, АХ-1, АУ-2 А2-3

рад/с Гц ускорение м/с2 ускорение м/с2 ускорение м/с2

1 0,1 0,016 0,0008 0,0008 0,00012

2 6,579 1,050 0,545 0,794 1,076

3 13,059 2,079 1,217 1,213 1,897

4 19,538 3,111 3,146 1,382 2,080

5 25,829 4,112 6,607 3,044 2,654

6 26,017 4,142 6,592 2,965 2,558

7 32,497 5,174 6,168 3,009 2,324

8 34,490 5,492 7,784 2,965 2,462

9 38,976 6,206 8,468 3,238 3,196

10 45,455 7,238 19,325 2,441 5,498

11 50,410 8,027 20,493 2,466 7,271

12 51,935 8,272 20,69 2,346 6,818

13 58,414 9,302 12,831 2,254 6,439

14 64,892 10,333 9,077 2,457 5,874

15 66,838 10,642 8,448 2,417 5,226

16 71,372 11,365 7,151 2,298 4,670

17 75,822 12,074 7,339 2,059 4,801

18 77,851 12,397 7,247 1,989 4,861

19 84,331 13,428 6,575 1,543 4,807

20 90,533 14,416 6,062 1,572 5,172

21 90,809 14,460 6,074 1,570 5,200

22 97,290 15,492 6,791 1,386 5,545

23 103,170 16,428 5,973 1,273 5,177

24 103,770 16,524 5,950 1,262 5,311

25 110,250 17,555 5,856 1,272 6,215

26 113,050 18,001 5,913 1,291 6,853

27 116,730 18,587 5,661 1,245 6,993

28 119,380 19,009 5,434 1,197 6,866

29 123,210 19,619 5,031 1,115 6,185

30 128,580 20,475 5,022 1,060 5,987

31 129,690 20,651 5,017 1,070 5,792

32 136,170 21,683 4,829 1,086 4,318

33 142,640 22,713 4,774 1,054 3,792

34 145,740 23,207 4,665 1,050 3,755

35 149,120 23,750 4,538 1,035 3,860

На Рисунке 3.18 и таблице 3.6 представлены спектры ответа на отметке опорного шарнира - отм.131.10. На данные спектры следует выполнять расчет сейсмостойкости металлоконструкции основного сегментного затвора, а также опорного шарнира в момент подъёма затвора при маневрировании, в этот момент всю весовую и гидростатическую нагрузку на затвор воспринимает опорный шарнир.

Следует заметить, что максимальное значение горизонтального ускорения по оси Y (поперек потока) расчетного спектра составляет 21,81 м/с2, что в 2,3 раза превосходит значение нормативного спектра для металлоконструкции сегментного затвора и шарнира и в 3,8 раза превосходит значение нормативного спектра для бетонной конструкции под раму опорного шарнира.

25,00

21,81

20,00

СЧ

с

15,00

е и н

е р

о

% 10,00

5,00

0,00

17,56

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Частота, Гц

-АХ-1 -ЛУ-2 -Л2-3 7 баллов бетон 7 баллов сталь

30,00

Рисунок 3.18 - Спектры ответа на отметке опорного шарнира сегментного затвора водосброса - отм.131. 1 превышение над нулевой отметкой +34.1 м

Таблица 3.6 - Спектры ответа на отметке опорного шарнира сегментного

затвора - отм.131.1, узел 1077

№ Частота Частота, АХ-1, АУ-2 А2-3

рад/с Гц ускорение м/с2 ускорение м/с2 ускорение м/с2

1 0,100 0,016 0,0008 0,00165 0,1221

2 6,579 1,050 0,543 0,8854 1,0467

3 13,059 2,079 1,192 1,9598 1,9632

4 19,538, 3,111 3,001 5,0695 1,8226

5 25,829 4,112 6,223 21,812 3,2308

6 26,017 4,142 6,206 21,471 3,2533

7 32,497 5,174 5,512 11,154 2,7954

8 34,490 5,492 6,980 8,5698 2,8497

9 38,97 6,206 7,568 6,8410 2,5488

10 45,455 7,238 16,922 5,4145 5,1317

11 50,410 8,027 17,558e 4,6521 5,2643

12 51,933 8,272 17,399 4,6172 5,6799

13 58,414 9,302 10,726 4,6396 3,7421

14 64,892 10,333 7,1775 4,6247 3,3443

15 66,838 10,642 6,8736е 4,5912 3,3333

16 71,372 11,365 6,0051 4,8086 3,3178

17 75,822 12,074 5,8029 4,9034 3,3380

18 77,851 12,397 5,6625 4,8781 3,6821

19 84,331 13,428 4,8186 4,7005 4,5900

20 90,533 14,416 4,3820 5,0324 4,7183

21 90,809 14,460 4,3753 5,0353 4,6560

22 97,290 15,492 4,2158 4,4372 5,9236

23 103,170 16,428 4,2041 4,1098 6,9221

24 103,770 16,524 4,2066 4,0824 7,0519

25 110,250 17,555 4,3533 3,9393 6,4484

26 113,050 18,001 4,2849 3,9458 6,2491

27 116,730 18,587 4,0447 3,9333 6,0089

28 119,380 19,009 4,1092 3,8953 5,4609

29 123,210 19,619 4,0015 3,7915 5,1718

30 128,580 20,475 3,7486 3,6848 5,0861

31 129,690 20,651 3,7076 3,6880 4,9150

32 136,170 21,683 3,6071 3,6986 4,2234

33 142,640 22,713 3,5874 3,5469 3,4840

34 145,740 23,207 3,5135 3,5807 3,2466

35 149,120 23,750 3,4040 3,6174 3,0088

На Рисунке 3.19 и таблице 3.7 представлены спектры ответа на отметке порога водосбросной плотины - отм. 121.90 (использованы исходные данные генерального проектировщика АО «Ленгидропроект» на основе поперечного разреза водосбросной плотины с оборудованием на отметках).

14,00

12,00

10,00

12,21

,00

СЧ

с

е 4,00

и £

2,00

0,00

0,00 5,00 10,00 15,00 20,00 25,00

Частота, Гц

30,00

АХ-1 -ДУ-2

А2-3

7 баллов бетон 7 баллов сталь

Рисунок 3.19 - Спектры ответа на отметке порога основного сегментного затвора водосбросной плотины - отм. 121.90 нулевой отметкой +24.9 м,

На данные спектры следует выполнять расчет сейсмостойкости металлоконструкции основного сегментного затвора, когда затвор стоит на пороге водосброса и водосбросные отверстия закрыты, в этот момент вся весовая нагрузка от затвора передается на порог водосброса.

Следует заметить, что максимальное значение горизонтального ускорения по оси Х (вдоль потока) расчетного спектра составляет 12,21 м/с2, что превосходит значение нормативного спектра для металлоконструкции сегментного затвора, равное 7,99 м/с2.

Таблица 3.7 - Спектры ответа на отметке порога сегментного затвора -

отм.121.90, узел 1845

№ Частота Частота, АХ-1, ускорение АУ-2 А2-3

рад/с Гц м/с2 ускорение м/с2 ускорение м/с2

1 0,100 0,016 0,0007 0,0008 0,00117

2 6,579 1,050 0,539 0,795 1,064

3 13,059 2,079 1,138 1,2244 1,889

4 19,538, 3,111 2,738 1,4005 1,943

5 25,829 4,112 5,444 3,1609 2,546

6 26,017 4,142 5,419 3,0804 2,471

7 32,497 5,174 4,461 2,9592 2,074

8 34,490 5,492 5,518 2,9388 2,037

9 38,97 6,206 6,119 3,4382 2,198

10 45,455 7,238 12,207 2,4760 2,774

11 50,410 8,027 11,733 2,4623 3,127

12 51,933 8,272 11,419 2,3928 2,755

13 58,414 9,302 7,077 2,3192 4,068

14 64,892 10,333 4,516 2,589 3,817

15 66,838 10,642 4,302 2,535 3,417

16 71,372 11,365 3,739 2,380 2,735

17 75,822 12,074 3,388 2,225 3,344

18 77,851 12,397 3,278 2,163 3,132

19 84,331 13,428 3,109 1,690 2,885

20 90,533 14,416 2,986 1,785 2,744

21 90,809 14,460 2,977 1,784 2,756

22 97,290 15,492 2,875 1,577 3,125

23 103,170 16,428 2,860 1,644 3,823

24 103,770 16,524 2,884 1,660 3,892

25 110,250 17,555 3,057 1,944 3,849

26 113,050 18,001 3,024 2,0608 3,653

27 116,730 18,587 2,909 2,009 3,388

28 119,380 19,009 2,737 1,958 3,236

29 123,210 19,619 2,516 1,763 2,873

30 128,580 20,475 2,311 1,5292 2,817

31 129,690 20,651 2,270 1,491 2,8370

32 136,170 21,683 2,372 1,406 2,5107

33 142,640 22,713 2,331 1,301 2,123

34 145,740 23,207 2,295 1,271 2,121

35 149,120 23,750 2,304 1,287 2,112

На Рисунке 3.20 и таблице 3.8 представлены спектры ответа на отметке порога аварийно - ремонтного затвора водосбросной плотины - отм. 107.00.

На данные спектры следует выполнять расчет сейсмостойкости металлоконструкции аварийно - ремонтного затвора, когда затвор стоит на пороге.

Следует заметить, что максимальное значение горизонтального ускорения по оси Х (вдоль потока) расчетного спектра составляет 7,93 м/с2, что в 2 раза превосходит нормативный спектр для металлоконструкции затвора.

Горизонтальный спектр по оси У (поперек потока) и вертикальный спектр по оси Ъ (вертикально) укладываются в диапазон нормативного спектра для стального затвора.

Частота, Гц

-АХ-1 -АУ-2 -АЪ-3 7 баллов бетон — 7 баллов сталь

Рисунок 3.20 - Спектры ответа на отметке порога аварийно - ремонтного затвора, отм. 107.00, превышение над нулевой отметкой +10.0 м.

Таблица 3.8 - Спектры ответа на отметке порога аварийно - ремонтного затвора -отм.107.0, узел 1880 превышение над нулевой отметкой +10.0 м.

№ Частота Частота, АХ-1, АУ-2 А2-3

рад/с Гц ускорение м/с2 ускорение м/с2 ускорение м/с2

1 0,100 0,016 0,0006 0,0008 0,001

2 6,579 1,050 0,535 0,7946 1,062

3 13,059 2,079 1,082 1,215 1,882

4 19,538, 3,111 2,470 1,390 1,917

5 25,829 4,112 4,669 3,057 2,506

6 26,017 4,142 4,666 2,977 2,439

7 32,497 5,174 3,422 3,035 2,049

8 34,490 5,492 4,169 2,984 1,956

9 38,97 6,206 4,655 3,479 2,031

10 45,455 7,238 7,929 2,466 2,238

11 50,410 8,027 6,654 2,456 2,323

12 51,933 8,272 6,300 2,402 2,361

13 58,414 9,302 3,699 2,284 3,502

14 64,892 10,333 2,551 2,541 3,277

15 66,838 10,642 2,465 2,490 2,961

16 71,372 11,365 2,412 2,342 2,403

17 75,822 12,074 2,371 2,129 2,876

18 77,851 12,397 2,331 2,063 2,735

19 84,331 13,428 2,225 1,591 2,434

20 90,533 14,416 1,988 1,736 2,457

21 90,809 14,460 1,986 1,739 2,472

22 97,290 15,492 2,230 1,539 2,909

23 103,170 16,428 2,173 1,353 3,386

24 103,770 16,524 2,142 1,351 3,385

25 110,250 17,555 1,976 1,517 3,152

26 113,050 18,001 1,953 1,571 2,943

27 116,730 18,587 1,856 1,532 2,599

28 119,380 19,009 1,784 1,450 2,443

29 123,210 19,619 1,689 1,331 2,383

30 128,580 20,475 1,680 1,185 2,177

31 129,690 20,651 1,679 1,173 2,182

32 136,170 21,683 1,651 1,171 1,993

33 142,640 22,713 1,583 1,089 1,736

34 145,740 23,207 1,568 1,053 1,665

35 149,120 23,750 1,566 1,080 1,627

Максимальные расчетные значения ускорений и соответствующие им частоты на отметках установки оборудования водосбросной плотины и максимальные нормативные ускорения представлены в таблице 3.9.

Таблица 3.9 - Максимальные значения ускорения и частоты

№ Наименование оборудования Водосбросной плотины Расчетная отметка, м, (превышение, м) Максимальное расчетное ускорение, м/с2 (Частота, Гц) Максимальное нормативное ускорение, (сталь) м/с2 Максимальное нормативное ускорение, (бетон) м/с2

1 Кран козловой водосбросной плотины, (сталь); подкрановая балка, (бетон) отм.138.75, (+41.75) 20,69 (8,27) 9,56 6,0

2 Опорный шарнир сегментного затвора (сталь) отм.131.1 (+34.1) 21,81 (4,11) 8,0 5,0

3 сегментный затвор-(сталь) отм. 121.90 (+24.9) 12,21 (7,24) 8,0 5,0

4 аварийно -ремонтный затвор (сталь) отм. 107.00 (+10.0) 7,93 (7,2) 4,0 2,5

В качестве примера оценки резонансных явлений выполнен анализ спектра ответа, полученного на верхней отметке бычка плотины, отм.138.75 м, как самой высокой отметки сооружения, на которой установлено оборудование.

На отметке верха бычка водосбросной плотины находится кран козловой. Стальная металлоконструкция крана козлового должна быть рассчитана на спектр ответа, полученный для отметки отм.138.75 м. Пиковое значение спектра ответа по оси АХ вдоль потока составляет 20,69 м/с2, что в 2 раза больше нормативного значения равного 9,56 м/с2, Рисунок 3.15, таблица 3.5, таблица 3.8.

Наиболее опасным является горизонтальная, вдоль потока составляющая спектра. Согласно полученному спектру ответа, максимальные горизонтальные ускорения спектра составляют 20,69 м/с2, соответствуют частоте 8,27 Гц не совпадают с первой собственной частотой водосбросной плотины, составляющей 4,425 Гц (таблица 3.1), таким образом, резонансных явлений при землетрясении на пиковой частоте не возникнет.

Следует заметить, что при расчете металлоконструкции крана козлового, расположенного на верхней отметке бычка водосбросной плотины необходимо определить его собственные частоты металлоконструкции крана и запроектировать конструкцию крана козлового так, чтобы его частоты не совпали с частотами спектра ответа на отметке установки крана, тем самым обеспечить отсутствие резонанса.

На Рисунке 3.21 выполнено сравнение пиковых расчетных ускорений и ускорений нормативных спектров водосбросной плотины.

Кран козловой Опорный шарнир Сегментный затвор Аварийно - ремонтный

водосбросной плотины сегментного затвора, (сталь), +24.9 м затвор (сталь), +10.0 м

(сталь), подкрановая +34.1 м балка (бетон) +41.75 м

■ Max расчетное ускорение, м/с2 ■ Max нормативное ускорение, сталь, м/с2

■ Max нормативное ускорение, бетон, м/с2

Рисунок 3.21 - Сравнение пиковых расчетных ускорений и ускорений нормативных спектров водосбросной плотины

Следует заметить, что максимальный расчетный спектры ответа для крана козлового в 2 раза превосходит нормативный спектр, таким образом расчеты сейсмостойкости металлоконструкции крана козлового следует выполнять на расчетные спектры. Аналогично, на расчетные спектры следует выполнять расчеты опорного шарнира, сегментного затвора водосброса и металлоконструкции аварийно - ремонтного затвора.

3.4 Выводы по третьей главе

1. В результате динамического расчета системы водосбросная плотина-основание получены значения собственных частот колебаний сооружения и построены спектры ответа на отметках установки механического оборудования, соответствующие сейсмическому проектному землетрясению уровня ПЗ 7 баллов (пос. Новобурейский) [76].

2. Динамические расчеты выполнены на основании расчетной трехкомпонентной акселерограммы, полученной по результатам микросейсморайонирования площадки проектирования ГЭС.

3. Сопоставление значений частот спектра ответа с первой собственной частотой свидетельствует об отсутствии резонансных явлений в сооружении при землетрясении.

4. Полученные в результате расчета спектры ответа на бычках водосбросной плотины могут быть заданы как сейсмическое воздействие на оборудование, устанавливаемое на бычках водосброса.

5. Оборудование, устанавливаемое на отметках плотины должно быть рассчитано на сейсмостойкость по расчетным спектрам ответа для выбранных расчетных узлов конечно - элементной пространственной модели плотина -основание.

6. Для расчета оборудования на сейсмостойкость на всех расчетных высотных отметках необходимо использовать расчетный спектр ответа, так как нормативный спектр не огибает пиковые значения ускорений расчетного спектра.

7. Научная новизна исследования определена в представленной и реализованной методике расчета спектров отклика на примере водосбросной плотины Нижне - Бурейской ГЭС.

8. Спектры ответа определены на отметках установки оборудования водосбросной плотины, с учетом выбора параметров расчетной акселерограммы сейсмического воздействия.

9. Спектры ответа были использованы при проектировании механического оборудования Нижне-Бурейской ГЭС в ОАО «Ленгидросталь».

4 Расчет спектров отклика на примере руслового здания ГЭС 4.1 Особенности проектирования руслового здания ГЭС

Русловое здание ГЭС (станционная плотина) является одним из основных сооружений гидроэлектростанций. Особенностью этого сооружения является наличие многочисленного оборудования, расположенного на различных отметках. На отметках водоприёмника располагается механическое и крановое оборудование. Затворы водоприёмника закрываются на случай ремонта гидроагрегата. На отметках машинного зала гидроэлектростанции находится турбинное и трансформаторное оборудование. На отметках выходных отверстий гидроэлектростанции находится механическое и крановое оборудование отводящих труб.

Станционная плотина предназначена для передачи воды на гидроагрегаты через водоприёмное устройство. Станционное сооружение состоит из водоприёмной части плотины, водопроводящего тракта, включающего в себя спиральную камеру и отсасывающие трубы. Со стороны верхнего бьефа расположена водоприёмная часть, со стороны нижнего бьефа находится задние гидроэлектростанции и отводящая воду от гидроагрегатов часть плотины. На бычках водоприёмника монтируются подъемные механизмы, предназначенные для перекрытия водоприёмных отверстий. На отметках станционной плотины располагается больше всего оборудования ГЭС, поэтому обязательным условием является расчёт сейсмической нагрузки на это оборудование.

При проектировании станционной плотины в зонах сейсмической активности необходимо выполнить расчёт спектров ответа на различных высотных отметках установки оборудования. Сейсмическое волновое воздействие вызывает колебание сооружения. Чем выше отметка, тем сильнее амплитуда колебаний.

Задачей проведенных исследований является определение собственных частот и анализ форм колебаний станционной плотины, а также расчёт спектров отклика на отметках для дальнейшего анализа сейсмостойкости оборудования [70].

На примере руслового здания ГЭС разработана пространственная расчетная модель сооружение - основание - оборудование. В модели учтены присоединенные массы воды.

Выполнено геометрическое и физическое соответствие модели реальному сооружению. Построение расчетной математической модели основано на имеющемся проектном материале.

Метод расчёта спектра реакций сейсмической нагрузки использован для оборудования, стоящего на отметках русловой плотины со зданием ГЭС.

Для расчета спектров ответа на отметках сооружения верифицирована конечно - элементная модель «сооружение-основание» на примере станционной плотины Нижне-Бурейской ГЭС.

Выполнено вычисление спектров ответа в заданных узлах на отметках русловой плотины и здания ГЭС, построены графики спектров ответа в заданных узлах, представлены таблицы оцифровок спектральных кривых. Вычисление спектров выполнено для основного оборудования русловой плотины и здания ГЭС. Реализовано сравнение значений расчетных и нормативного спектров.

Цель исследования - провести апробацию разработанного метода на основе расчёта спектра реакций сейсмической нагрузки для оборудования, стоящего на отметках русловой плотины со здание ГЭС.

Исследование выполнено на основе модели станционной плотины Нижне -Бурейской ГЭС со скальным основанием (Рисунок 4.1).