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摘 要：因为厂房为机组的主要支承结构，机组的振动必然要传递到厂房，因而诱发厂房振动。随着机组容量和厂房尺寸的增大，振动能量相应增大，一旦发生振动可能后果十分严重。厂房机墩结构的刚度对机组运行稳定性有重要的控制作用，因地面厂房的上部结构刚度相对较低，机组诱发振动和地震作用下的动力响应可能更严重。
关键词：水电站；地面厂房；共振；抗震；动力分析
当前水电站厂房地震响应分析的研究主要涉及计算方法、响应特点、地震动选取、结构有限元模型、响应评价和抗震措施等，有关规范修订也为水电站厂房地震响应分析提出了新的要求。
一、水电站地面厂房分类
水电站地面厂房主要分河床式、坝后式和岸边式，三类厂房的结构形式和动力特性各有特点，分析难点和关注重点也有所区别。河床式水电站的厂房兼有挡水作用，上下游静动水压力构成了其荷载的主要部分，显著影响厂房结构的动力特性，使其动力分析更为复杂。坝后式厂房通常与非溢流坝段衔接，可设纵向沉降缝将厂坝分离，此时厂房结构受力明确，可作独立分析；当不设沉降缝而与大坝整体相连时，厂房下部结构同大坝连为一体，坝体的部分荷载与位移都会对厂房产生明显影响，其下部结构的应力状态更为复杂。岸边式厂房由于选址的限制，易受山体崩塌、滑坡、滚石和飞石等次生地质灾害破坏。厂房边机组段和中间机组段的动力特性因边界条件的不同也有所区别，主要表现为边机组段相对中间机组段在垂直水流向的边界条件不对称，在地震动作用下整体上可能表现出扭曲变形。
二、地震响应评价
1.承载能力。承载能力是结构力学性能的最基本要求，应力水平是衡量结构承载能力的重要指标，通过特征位置，如钢蜗壳外围混凝土、楼板、梁、柱、墙、屋顶网架等特征位置混凝土、钢筋和钢网架的应力水平，来表征和评价厂房结构的强度，可以在相当程度上准确反映厂房的响应强弱，并可据此对厂房结构是否会破坏做出判断。
2.变形及变形协调性。由于鞭梢效应以及上、下游墙柱体系存在刚度差异，水电站厂房的变形必然成为评价体系中的重要一环。特征位置处的位移峰值、层间位移、上下游排架轨顶相对位移、裂缝分布与发展等，均可表征厂房结构在震中及震后的变形安全水平。
3.对机组及其控制设备的影响。地震工况属偶然工况，结构在保证“小震不坏，中震可修，大震不倒”的前提下，应尽早恢复电能生产，为抢险救灾提供能源保障，因此，在满足前两项要求的前提下，还应考虑地震对机组及其控制设备的影响。以某水电站厂房为例，结合机电设备抗震设计和机组有限元计算，讨论了地震对水电站机组的影响。我国尚未制定这方面的强制标准，通过归纳总结国内外相关振动控制标准，提出了一套水电站厂房振动控制标准建议值，但此标准是面向水电站厂房的正常工况提出，地震工况下楼板、机墩等部位的反应极可能大大超出标准中建议值，因此怎样借鉴和引入该标准仍需深入研究和讨论。
三、地震动选取
计算分析中，地震波的选取与工程所在地的场地、地基条件密切相关，可以选取实际地震动数据，也可以通过时域方法、频域方法和考虑相位谱在时域与频域内进行综合调整的方法等获得人工地震波。实际地震波的优势在于真实，且可靠的时程记录越来越多，但对地震这一相对小概率的随机事件而言，要求得到一组同时满足同一反应谱统计特征和特定场地条件的地震波组时，通过人工拟合的方法更易获得，对于重要的工程，需要同时考虑实际地震波和人工拟合波下结构的地震响应，二者互为补充。近断层地震动对结构的影响是当前结构抗震研究的热点之一。在震源距较小的区域内，地震波中的近场项和中场项不能被忽略，此时这个区域内的地震动就被称为近断层地震动。它本身的破裂方向性效应、滑冲效应、上盘效应等重要特性，和对高层建筑、大坝等结构的破坏机理均是地震工程界的难题。由于近断层地震动的研究开展时间并不久，目前还鲜见关于近断层地震动对水电站地面厂房破坏影响的文献发表。述了一种近断层脉冲型地震动的合成方法，并在此基础上对比了地下洞室分別在近断层地震动与远场地震动下的响应情况，可以在此基础上尽早开展近断层地震动对水电站地面厂房的地震响应影响的研究。针对平面尺寸较大的水电站厂房，分析了行波效应的影响，分析结果表明，不考虑行波效应对厂房结构的设计偏安全，并建议若地震波速不大时可适当考虑行波效应，以期得到更经济合理的设计方案。
四、震损表现与抗震措施
地面厂房上部结构刚度小且鞭梢效应明显，同时是影响工作人员安全最直接的部分，因此抗震设计的关注重点应放在减弱上部结构的响应上，汶川震后调查同样表明，在满足“大震不倒”的前提下，水电站地面厂房的震损主要表现为填充墙开裂、排架柱剪切裂缝和基础沉陷等。现有文献中，针对水电站地面厂房的具体抗震措施专项研究并不多见。结合建筑抗震设计思路，可从三个方向考虑其抗震措施设计：一是减小地震能量输入，如设置抗震缝、隔震支座等，但这类措施可能造成结构刚度的削弱，屋顶桁架和面板与排架柱简支比铰接更有利于上下游排架柱顶的变形协调，也可考虑采用滑移支座来减弱屋顶网架的应力水平；二是提高结构刚度、强度，如提高混凝土强度和增加配筋等，但这类措施可能大幅提高工程造价，汶川震损调查中出现大量箍筋弯钩脱开的现象，因此可以考虑在排架节点、柱脚等规范要求加密箍筋的位置将箍筋端部以焊接替代弯钩，以增强抗剪能力；三是消能减震，如增设阻尼器等，对在水电站厂房中通过设置阻尼器来减震的方法进行了探索，通过在某厂房发电机层楼板与上游墙、尾水平台与下游排架之间设置了若干粘滞阻尼器来减小薄弱部位的地震响应，经分析对比，减震效果明显。汶川地震中，沙牌、草坡等水电站厂房受滑坡、滚石等次生地质灾害的影响严重，滚石击穿填充墙等现象大量存在，因此对于不利的地形环境，地面厂房应在选址过程中遵循“先避让，后处理，再保护”的指导思想，尽量减轻次生地质灾害对地面厂房的破坏。自福岛核电站危机以来，针对核电站、火电站厂房抗震、减震措施的探索成为新的研究热点，目前已有研究成果应用于新、扩建工程，能否将同类技术应用于水电站厂房设计是值得深入研究的一个方向，需注意的是由于水电站厂房的安装运行要求，在其它工程中应用较多的阻尼器、减震器和剪力墙等的布置往往严重受限，因此大规模应用还应有进一步的技术论证和经济方案比较。同其它类型电站相比，水电机组有相对方便廉价的启闭能力，通过细化并严格执行地震相关应急制度，从制度层面减弱厂房地震响应，将震害降至最低，也可以成为今后此领域研究的新方向。
总之，水电站地面厂房有明显区别于其他工业厂房的动力响应特点，其震损情况直接影响到其内工作人员的人身安全和震后救灾的能源保障，因此应重视其地震响应分析的研究工作。围绕水电站厂房地震响应分析，学者们从计算方法、地震动选取、建立结构有限元模型、结构响应评价、抗震措施等方面做了大量研究，其中，辐射阻尼效应模拟、流固耦合模拟和结构非线性分析是当前三个主要研究热点并已经取得了部分进展；近断层地震动和阻尼矩阵构造方法对水电站厂房动力响应分析结果的影响，抗震减震措施的研究与应用等方面的研究工作，仍亟待科研和工程人员继续深入。
参考文献
[1]王秀英，探讨水电站地面厂房结构的动力分析与设计优化.2017.
[2]张华.浅谈水电站地面厂房结构的动力分析与设计优化.2017.
关键词：水电站；地面厂房；共振；抗震；动力分析
当前水电站厂房地震响应分析的研究主要涉及计算方法、响应特点、地震动选取、结构有限元模型、响应评价和抗震措施等，有关规范修订也为水电站厂房地震响应分析提出了新的要求。
一、水电站地面厂房分类
水电站地面厂房主要分河床式、坝后式和岸边式，三类厂房的结构形式和动力特性各有特点，分析难点和关注重点也有所区别。河床式水电站的厂房兼有挡水作用，上下游静动水压力构成了其荷载的主要部分，显著影响厂房结构的动力特性，使其动力分析更为复杂。坝后式厂房通常与非溢流坝段衔接，可设纵向沉降缝将厂坝分离，此时厂房结构受力明确，可作独立分析；当不设沉降缝而与大坝整体相连时，厂房下部结构同大坝连为一体，坝体的部分荷载与位移都会对厂房产生明显影响，其下部结构的应力状态更为复杂。岸边式厂房由于选址的限制，易受山体崩塌、滑坡、滚石和飞石等次生地质灾害破坏。厂房边机组段和中间机组段的动力特性因边界条件的不同也有所区别，主要表现为边机组段相对中间机组段在垂直水流向的边界条件不对称，在地震动作用下整体上可能表现出扭曲变形。
二、地震响应评价
1.承载能力。承载能力是结构力学性能的最基本要求，应力水平是衡量结构承载能力的重要指标，通过特征位置，如钢蜗壳外围混凝土、楼板、梁、柱、墙、屋顶网架等特征位置混凝土、钢筋和钢网架的应力水平，来表征和评价厂房结构的强度，可以在相当程度上准确反映厂房的响应强弱，并可据此对厂房结构是否会破坏做出判断。
2.变形及变形协调性。由于鞭梢效应以及上、下游墙柱体系存在刚度差异，水电站厂房的变形必然成为评价体系中的重要一环。特征位置处的位移峰值、层间位移、上下游排架轨顶相对位移、裂缝分布与发展等，均可表征厂房结构在震中及震后的变形安全水平。
3.对机组及其控制设备的影响。地震工况属偶然工况，结构在保证“小震不坏，中震可修，大震不倒”的前提下，应尽早恢复电能生产，为抢险救灾提供能源保障，因此，在满足前两项要求的前提下，还应考虑地震对机组及其控制设备的影响。以某水电站厂房为例，结合机电设备抗震设计和机组有限元计算，讨论了地震对水电站机组的影响。我国尚未制定这方面的强制标准，通过归纳总结国内外相关振动控制标准，提出了一套水电站厂房振动控制标准建议值，但此标准是面向水电站厂房的正常工况提出，地震工况下楼板、机墩等部位的反应极可能大大超出标准中建议值，因此怎样借鉴和引入该标准仍需深入研究和讨论。
三、地震动选取
计算分析中，地震波的选取与工程所在地的场地、地基条件密切相关，可以选取实际地震动数据，也可以通过时域方法、频域方法和考虑相位谱在时域与频域内进行综合调整的方法等获得人工地震波。实际地震波的优势在于真实，且可靠的时程记录越来越多，但对地震这一相对小概率的随机事件而言，要求得到一组同时满足同一反应谱统计特征和特定场地条件的地震波组时，通过人工拟合的方法更易获得，对于重要的工程，需要同时考虑实际地震波和人工拟合波下结构的地震响应，二者互为补充。近断层地震动对结构的影响是当前结构抗震研究的热点之一。在震源距较小的区域内，地震波中的近场项和中场项不能被忽略，此时这个区域内的地震动就被称为近断层地震动。它本身的破裂方向性效应、滑冲效应、上盘效应等重要特性，和对高层建筑、大坝等结构的破坏机理均是地震工程界的难题。由于近断层地震动的研究开展时间并不久，目前还鲜见关于近断层地震动对水电站地面厂房破坏影响的文献发表。述了一种近断层脉冲型地震动的合成方法，并在此基础上对比了地下洞室分別在近断层地震动与远场地震动下的响应情况，可以在此基础上尽早开展近断层地震动对水电站地面厂房的地震响应影响的研究。针对平面尺寸较大的水电站厂房，分析了行波效应的影响，分析结果表明，不考虑行波效应对厂房结构的设计偏安全，并建议若地震波速不大时可适当考虑行波效应，以期得到更经济合理的设计方案。
四、震损表现与抗震措施
地面厂房上部结构刚度小且鞭梢效应明显，同时是影响工作人员安全最直接的部分，因此抗震设计的关注重点应放在减弱上部结构的响应上，汶川震后调查同样表明，在满足“大震不倒”的前提下，水电站地面厂房的震损主要表现为填充墙开裂、排架柱剪切裂缝和基础沉陷等。现有文献中，针对水电站地面厂房的具体抗震措施专项研究并不多见。结合建筑抗震设计思路，可从三个方向考虑其抗震措施设计：一是减小地震能量输入，如设置抗震缝、隔震支座等，但这类措施可能造成结构刚度的削弱，屋顶桁架和面板与排架柱简支比铰接更有利于上下游排架柱顶的变形协调，也可考虑采用滑移支座来减弱屋顶网架的应力水平；二是提高结构刚度、强度，如提高混凝土强度和增加配筋等，但这类措施可能大幅提高工程造价，汶川震损调查中出现大量箍筋弯钩脱开的现象，因此可以考虑在排架节点、柱脚等规范要求加密箍筋的位置将箍筋端部以焊接替代弯钩，以增强抗剪能力；三是消能减震，如增设阻尼器等，对在水电站厂房中通过设置阻尼器来减震的方法进行了探索，通过在某厂房发电机层楼板与上游墙、尾水平台与下游排架之间设置了若干粘滞阻尼器来减小薄弱部位的地震响应，经分析对比，减震效果明显。汶川地震中，沙牌、草坡等水电站厂房受滑坡、滚石等次生地质灾害的影响严重，滚石击穿填充墙等现象大量存在，因此对于不利的地形环境，地面厂房应在选址过程中遵循“先避让，后处理，再保护”的指导思想，尽量减轻次生地质灾害对地面厂房的破坏。自福岛核电站危机以来，针对核电站、火电站厂房抗震、减震措施的探索成为新的研究热点，目前已有研究成果应用于新、扩建工程，能否将同类技术应用于水电站厂房设计是值得深入研究的一个方向，需注意的是由于水电站厂房的安装运行要求，在其它工程中应用较多的阻尼器、减震器和剪力墙等的布置往往严重受限，因此大规模应用还应有进一步的技术论证和经济方案比较。同其它类型电站相比，水电机组有相对方便廉价的启闭能力，通过细化并严格执行地震相关应急制度，从制度层面减弱厂房地震响应，将震害降至最低，也可以成为今后此领域研究的新方向。
总之，水电站地面厂房有明显区别于其他工业厂房的动力响应特点，其震损情况直接影响到其内工作人员的人身安全和震后救灾的能源保障，因此应重视其地震响应分析的研究工作。围绕水电站厂房地震响应分析，学者们从计算方法、地震动选取、建立结构有限元模型、结构响应评价、抗震措施等方面做了大量研究，其中，辐射阻尼效应模拟、流固耦合模拟和结构非线性分析是当前三个主要研究热点并已经取得了部分进展；近断层地震动和阻尼矩阵构造方法对水电站厂房动力响应分析结果的影响，抗震减震措施的研究与应用等方面的研究工作，仍亟待科研和工程人员继续深入。
参考文献
[1]王秀英，探讨水电站地面厂房结构的动力分析与设计优化.2017.
[2]张华.浅谈水电站地面厂房结构的动力分析与设计优化.2017.