某25MW汽轮发电机基础设计与分析

【摘要】针对工业项目中经常出现的框架式动力机器基础，结合工程实例简要介绍设计过程，指出常用的针对动力机器基础动力分析计算方法的心得体会，提出设计过程中应该注意的问题及建议。

【关键词】框架式动力机器基础；设计；动力分析计算；注意问题及建议

0、引言

工业项目结构设计中，根据工艺要求，为动力机器设备设计基础的工作经常遇到。动力机器种类繁多，运动特性主要呈旋转式、往复式、脉冲式等，基础主要有大块式、墙式、构架式等形式。不同的运动特征、不同的基础形式决定了基础设计方法各异，造成动力机器基础设计成为结构设计的难点。较以承受静力荷载为主的设备基础不同，动力机器基础除应满足静力荷载或静力当量荷载作用下的强度、刚度及稳定性要求外，还应满足动力荷载作用下基础的振幅或振动速度满足规范限值要求。针对框架式汽轮机发电基础，若采用空间多自由度体系进行动力分析计算，需借助计算机辅助设计程序完成；若采用简化的平面二自由度体系进行计算，往往计算结果与实际存在一定偏差。

本文以某25MW汽轮发电机框架式基础设计为例，简要介绍框架式动力机器基础的设计过程，指出常用的动力机器基础动力分析计算方法的心得体会，提出设计过程中应该注意的问题及建议。

1、工程概况

某25MW汽轮发电机设备平面布置如图1所示，汽轮机和发电机构成动力设备，设备平台以下布置其他辅助设备。根据设备厂家所提资料可知：机组功率25000KW；工作转速3000r/min；临界转速1370/4020 r/min；设备总重量127t，其中：汽轮机静子重52t，转子重14t，发电机静子重45t，转子重16t；设备运行面高度8m。

本工程所处场地地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，设计地震分组为第三组，场地土类别为Ⅱ类。建设场地较为平整、均匀，基础持力层为：泥质粉砂岩层，地基土承载力特征值fak=450kpa，场地地下水位埋深4.60m～4.80m。基础混凝土C30，钢筋HRB335级。

2、基础设计选型原则及主要控制指标

2.1基础设计选型原则

一般情况下，汽轮机发电机组的汽轮机、发电机要求布置在厂房二层平台上，辅助设备部分则多布置在底层，要求基础顶板下面有足够的空间布置工艺设备、管线。因此，汽轮机发电机基础主要采用框架式基础，以满足工艺布置及生产操作需要。

汽轮机发电机框架式基础应合理布置、构造简单、受力明确。基础的顶板、支柱、底板应尽可能对称于机器的主轴（纵轴）布置，荷载应尽量布置在受力构件的中轴线上，避免或减少初始偏心造成的结构扭转效应。其中：顶板应有足够的质量和刚度，顶板各横梁的静绕度宜接近，顶板的外形和受力应简单，尽量避免偏心荷载；在满足强度和稳定性要求的前提下，宜适当减小柱的刚度，但其长细比不宜大于14；底板应有一定的刚度，并应结合地基的刚度综合分析确定。

2.2主要控制指标

1）静力计算控制指标

（1）地基承载力验算满足地基承载力要求；

（2）基组偏心值验算满足e/l≤3%的要求；

（3）框架式基础的顶板、支柱、底板满足在“主要荷载组合”及“特殊荷载组合”作用下的承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算要求；

（4）对于需要进行抗震验算的基础，还应满足抗震设计要求。

2）动力计算控制指标

不同于静力计算的控制要求，针对1000

3、结构设计与分析

3.1结构受力分析及布置要点

根据设备厂家提供资料，在充分考虑汽轮发电机基础与发电厂房平面关系的同时，对基础顶板、支柱和底板进行结构布置，如图2、图3所示。由荷载作用位置可知，汽轮机和发电机的静子、转子荷载均作用于轴承中心或设备支座中心位置。基础振动主要由机器运行中的不平衡力，即扰力的作用引起，而扰力的产生主要来源于转子质量中心不可能和它的旋转中心完全重合造成。本例中，转子围绕主轴（纵轴）旋转，由扰力产生的振动主要引起基础的竖向振动。

由图2可知，结构平面沿主轴（纵轴）方向对称布置，由于工艺需要在后端顶板下布置“出线小室”，结构平面沿横向不对称，故在基础底板布置时应适当减小后端底板长度，确保底板布置均匀，减少底板偏心影响。上部框架梁柱布置应结合荷载作用位置及机器外形综合确定。本例纵、横向跨度基本均匀，荷载基本作用于轴线上或附近位置，横梁截面1200x1500，两侧悬挑部分截面1200x1500/600，纵梁截面1200x1500，机器作用区域顶板厚同梁高。支柱截面1200x1200（共6根），与下部底板刚接。底板采用梁板式，基础梁截面1400x2000，底板厚600，基础埋置深度-3.00m。

3.2静力计算

3.2.1地基承载验算

本例中，基础持力层选定为：泥质粉砂岩层，地基土承载力特征值fak=450kpa。经计算后，由于地基承载较高，承载力验算可满足要求。

3.2.2基组偏心值验算

为了防止动力机器基础因振动引起基础偏沉，保证设备的正常运转和简化动力计算，基组（机器、基础和基础上回填土的总称）的总重心应力求与基础底面形心在同一垂直线上，如有偏心，其偏心距与偏心方向的基础底面边长之比，即e/l≤3%。

本例中，基础底板布置沿横向对称布置，可在结构布置上避免偏心影响。纵向由于存在后端出线小室，在基础底板布置时适当减小后端底板长度，确保底板布置均匀，减少底板偏心影响，可满足e/l≤3%的要求。

3.2.3框架承载力计算

与常规只承受静力荷载的框架承载力计算不同，汽轮机框架式基础的上部框架的承载力计算在荷载取值、荷载组合、结构计算及构造要求等方面有其特殊之处。

（1）作用在基础上的荷载：1）恒载：基础自重、机器设备自重、管道推力、温度应力等；2）动力荷载（即静力当量荷载）：通过将机器运转过程中的转子重量乘以相应的系数，等效为垂直向、纵横水平向静力荷载（即静力当量荷载）作用于结构上；3）安装荷载：可取20～30KN/m2；4）特殊荷载：短路力矩、地震作用等。

（2）荷载组合：1）主要荷载组合：由恒载与动力荷载（或静力当量荷载）组成，各向的动力荷载在组合时只考虑单向作用；2）特殊荷载组合：由主要荷载组合与一个特殊荷载（短路力矩或地震作用）组成，其中动力荷载（或静力当量荷载）的组合值系数取0.25。

（3）结构内力及配筋计算：可按常规框架结构采用结构分析计算软件（如PKPM）建模进行分析计算。

本例中，恒载可由设备厂家提供的资料及框架式基础的截面尺寸计算得到，静力当量荷载的计算，应按基础的基本振型和高阶振型影响分别计算，并取较大值。当采用PKPM进行结构分析计算时，对于主要荷载组合，可取默认的“1.2恒+1.4活”，而特殊荷载组合需手动添加一个组合“1.2恒+0.25x1.4活+分项系数x短路力矩或地震作用”参与计算。

框架式基础本身刚度较常规框架大得多，静力计算不考虑抗震时一般均能满足要求，计算配筋均接近最小配筋率。考虑到基础长时间处于振动环境中，需考虑混凝土出现裂缝及疲劳问题，实际配筋宜适当增加。

框架式基础一般只须进行水平地震作用下的抗震验算，对于设防烈度为8度以下的框架式基础可不进行抗震验算。本工程所处场地地震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，可不进行抗震验算。

3.3动力计算

动力机器基础的动力计算，主要是计算基础在动力荷载作用下的反应，即计算基础各种振型的自振频率、振幅等。结构动力计算的简图、理论假设的弹性体系自由度的选择，将直接影响动力计算的结果与实际的符合程度。

针对1000

本例为25MW汽轮发电机框架式基础，工作转速n=3000r/min，框架上部结构为横向框架与纵梁构成的框架体系，动力计算可采用平面两自由度体系，取中间横向框架进行动力计算，如图4。

结论：

1）根据转速n与圆频率ω的关系：n=9.55ω可知，基础第一振型圆频率ωn1=207 rad/s，折算为转速n1=9.55x207=1976r/min

2）最大振幅为A11=0.0108

4、设计过程中应注意的问题

4.1重视概念设计

由于动力机器基础设计与计算模型、计算方法的简化、取值及土的动力特性关系极大，计算结果与实测数据往往偏差较大，所以重视概念设计尤为重要。动力机器基础的概念设计就是针对给定的动力机器基础提出合理的结构形式，尽量对称的平、立面布置及基本构件尺寸、构造等，保证结构设计的合理性。其主要内容包括：（1）确定合理的基础埋置深度和地基土抗压刚度系数；（2）确定合理的基础结构形式，平、立面布置，基本构件尺寸及构造；（3）基础与机器的质量比值；（4）动力机器基础的偏心率控制等。对设计者而言，动力机器基础动力计算工作大且十分繁琐，实践证明，掌握振动的原理和基本概念，采用合理的结构形式和构造要求能从源头上控制基础的振动问题，减小动力计算模型与实际的偏差，使计算更加真实可靠。

随着国际、国内有限元分析计算软件，如ANSYS、MIDAS、SAP2000等的不断完善、普及，利用有限元分析计算软件进行动力设备基础的动力分析计算是大势所趋，但昂贵的购买、使用费用让中小型设计单位望而却步，所以，针对较为规整的框架式基础布置，在充分重视概念设计的基础上，采用简化的平面两自由度体系进行结构动力分析，并结合工程实践，也可以满足设计要求。

4.2扰频±25%的避让

设计动力机器基础时，一般要尽可能使基组的自振频率和机器正常工作的扰力频率相差25%，以避免基组在其振区内工作。基组的自振频率取决于基础的刚度，刚度又取决于框架顶板、框架梁柱、底板的尺寸取值。取值过小，基组过柔，振幅不易控制；取值过大，基组过刚，容易进入扰频共振区。为此，《动规》提出了相应要求：5.1.6（1）顶板应有足够的质量和刚度；5.1.6（2）在满足强度和稳定性要求的前提下宜适当减小柱的刚度，但其长细比不宜大于14；5.1.7平板式基础底板的厚度或井式、梁板式基础的梁高，可根据地基条件取基础底板长度的1/15～1/20，并不应小于柱截面的边长。

在满足规范的相关构造要求的基础上，结合一定的工程实践，可总结出针对不同类型、不同转速的动力机器基础的合理尺寸范围，确定合理的基组刚度，最终可减少设计反复验算过程，提高设计效率。

4.3基础埋深对机组振幅、频率的影响

振幅计算公式是以基础设置在地面上为基本假定建立的，而一般机器基础都有一定埋深，基础四周的土有降低振幅和提高体系自振频率的作用。对于汽轮发电机基础这类处于共振后工作的机器基础（即基础的自振频率低于机器的工作频率），应充分考虑埋深作用。这样，虽计算出的基组自振频率可能较实际高一些，但实际是安全可靠的。另外机器起停过程中，都要经过共振区，宜适当增加基础埋深，提高体系阻尼。但增加基础埋深也同时提高基组频率，加大基础频率进入扰频共振区的可能性，故设计时应合理调整基础埋置深度，使基组频率和振幅处于合理的范围内。

4.4构造与配筋

（1）为安装机器设备支座垫板，通常在基础顶板面设有二次灌浆层，能够在机器设备安装调平后起到与基础砼充分结合的作用。针对动力设备基础，在设备正常运转时长期处于振动状态中，虽也有相应构造措施保证，但二次灌浆层与基础结合面出现裂缝的情况仍时有出现。因此，笔者建议基础顶板一次浇筑成型，取消二次灌浆层，从施工角度严格控制顶面砼的平整度，结合设备安装调平，确保设备正常运转。本例按此方法设计施工，设备安装就位，运转中未出现基础顶板裂缝，效果良好。

（2）设备锚固螺栓采用在砼内预埋钢套管，设置对穿螺栓的做法，可有效解决螺栓锚固长度不够，二次后浇粘结不足等问题。基础顶面四周边缘及沟道边，设置角钢保护，可防止边缘碰撞损害。

（3）除应满足现行《混规》要求的相关构造要求外，应根据基础承受振动的特点，配置相应的附加钢筋。如：a基础上部纵横梁及柱子需沿设置封闭箍筋；b纵横梁侧面配置构造钢筋；c直径或边长大于300的孔洞或凹口四周配置附加钢筋；d基础顶板挑台、沿挑台外侧及支撑挑台的梁内侧配置纵向附加钢筋等。

5、结束语

动力机器基础设计，应做好前期资料、数据收集与分析；重视概念设计，使基础选型及结构布置合理；认真进行结构分析计算及构造设计；注意采集设备正常运转中基础的动力反应。本例仅针对25MW、转速n=3000r/min汽轮发电机框架式基础的结构设计进行的简要分析，而对于种类繁多的各型动力机器基础的分析计算，应根据其各自的动力反应特点，采用适合的动力分析方法进行。当然，动力机器基础设计有着内在的规律可循，只有把握动力设备正常运转中的动力特性，通过不断实践，精心设计，才能提高动力机器基础的设计水平。

本例25MW汽轮发电机装置建于云南省开远市红河州磷肥厂80万吨/年硫磺制酸余热发电装置，于2009年建成并投入使用，至今运转正常。

参考文献

[1] GB50040-1996q动力机器基础设计规范[s]q北京：中国建筑工业出版社，1996

[2]第一机械工业部设计研究总院q动力机器基础设计手册[M]q北京：中国建筑工业出版社，1983

[3] GB50009-2012q建筑结构荷载规范[s]q北京：中国建筑工业出版社，2012

[4] GB50010-2010q混凝土结构设计规范[s]q北京：中国建筑工业出版社，2011

[5] GB-50007-2011q建筑地基基础设计规范[s]q北京：中国建筑工业出版社，2011

[6]刘茂盛，张应之，郭永生q动力机器基础的概念设计[J] q北京：工业建筑，2014，44，6：7-9