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摘要：水电站厂房的自振频率关乎到其在动力荷载下的安全，在设计阶段加以预测和控制具有重要意义。运用ANSYS有限元软件对水电站厂房进行模态分析，得到厂房结构在一期、二期混凝土及地基的不同材料参数（弹模与容重）下的自振频率，采用基于灰色关联度的系统分析法，确定了水电站厂房自振频率与各主要影响因子的关联性及密切程度。结果表明：只考虑材料弹性模量时，地基弹模对厂房自振频率的影响度最大，其次为厂房一期混凝土弹模和二期混凝土弹模；只考虑混凝土容重时，二期混凝土容重对厂房自振频率的影响度略大于一期混凝土容重；同时考虑厂房混凝土弹模和容重时，结构容重对其自振频率的影响度大于弹模，二者与水电站厂房自振频率的关联度相差甚微。研究成果对控制类似结构的自振频率具有参考意义。
关键词：水工结构工程；水电站厂房；自振频率；材料参数；灰色关联度；量化影响因子
中图分类号：TV314 文献标识码：A 文章编号：1672-1683（2017）03-0190-07
Abstract：Natural vibration frequency is related to the safety of hydropower stations under dynamic loads.It is significant to predict and control the frequency during the design phase.We performed modal analysis on the hydropower house using the ANSYS finite element software.Thus，we obtained the natural vibration frequency of the structure under the different material parameters （elasticity modulus and bulk density） of the first- and second-stage concrete and the foundation.We estimated the correlation between the structure"s natural vibration frequency and the main material parameters using the systematical analysis method based on grey relational grade.The following conclusions were reached.When only the elasticity modulus was considered，the elasticity modulus of the foundation had the largest influence on the natural vibration frequency，followed by the first-stage concrete and the second-stage concrete of the hydropower house.When only the concrete bulk density was considered，the influence of the second-stage concrete bulk density was slightly larger than that of the first-stage concrete.When both elasticity modulus and concrete bulk density were considered，the concrete bulk density had a greater influence than elasticity modulus on the natural vibration frequency of the hydropower station，and their correlations with the natural vibration frequency showed little difference.The research results can provide reference for controlling the natural vibration frequency of similar structures.
Key words：hydraulic structure engineering；hydropower house；natural vibration frequency；material parameters；grey relational grade；to quantify impact factors
自振特性是水电站厂房本身固有且极为重要的力学性能，包括自振频率、振型及阻尼比等，是衡量其刚度合理性的重要指标[1]。作为自振特性的重要参数之一，自振频率直接影响到厂房结构的动力响应，是水电站厂房动力分析的基础。近些年，许多专家和学者针对水电站厂房自振频率展开了大量的研究，并取得了豐富的成果。文献[2]研究了水电站厂房上部不同网架支承方式及模拟方法对厂房整体自振频率的影响，分析了机组振动荷载作用下的响应。其研究表明，网架支撑及模拟方式对厂房上部结构的振动频率影响显著，需按照实际尺寸建立包含网架结构的计算模型。文献[3]以势流体单元模拟水电站厂房流道内水体，以黏弹性边界模拟地基效应，对比分析了不考虑水体模型及考虑水体的流固耦合模型下厂房结构自振频率及地震响应，认为水体对其自振频率及动力响应有较大的影响，仅模拟库水和尾水的附加质量会带来较大的误差。文献[4]研究了不同混凝土强度和钢管厚度下，水电站厂房排架结构自振频率的变化及对抗震性能的影响。其研究表明，在地震荷载作用下，改变混凝土强度相对于改变钢管的壁厚对排架结构的自振频率影响更大。文献[5]以某灯泡贯流式机组水电站厂房为对象，研究厂顶溢流新型布置型式下厂房的自振频率，对部分振源与动力响应的相关性进行了分析，进行了共振校核并得出相应振源的影响系数，为相应结构的设计提供理论依据。文献[6]分析对比了不同弹性模量、阻尼比、泊松比等参数下水电站厂房自振频率及动力反应，探究了基岩模拟范围、基岩边界条件、厂房内外水体、厂房楼板结构形式、排架柱结构形式等对水电站厂房自振频率的影响，得出了一些定性的结论，为水电站厂房结构的抗震优化设计提供了可靠参考。另有大量国内外科研人员对水电站厂房的自振频率进行了研究，并取得了相关成果[7-10]。