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        強(qiáng)震區(qū)高聳建筑物地震動(dòng)反應(yīng)研究

        2012-07-06 08:11:36周劍萍
        科技傳播 2012年8期
        關(guān)鍵詞:混凝土結(jié)構(gòu)

        周劍萍

        義烏工商學(xué)院,浙江義烏 322000

        我國(guó)是一個(gè)地震頻發(fā)的國(guó)家。隨著水利水電事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,在強(qiáng)震區(qū)會(huì)興建越來(lái)越多水利水電工程。對(duì)于水利水電工程引水、泄水系統(tǒng),進(jìn)水口屬于關(guān)鍵性建筑物,由于其體型原因、抗震性能相對(duì)較差,因此進(jìn)行進(jìn)水塔地震反應(yīng)研究具有非常重要的意義。

        本文結(jié)合某水電站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力分析,研究地震動(dòng)對(duì)進(jìn)水口建筑的反應(yīng)。水電站地處青藏高原東南緣向四川盆地過(guò)渡之川西南高山區(qū)中部,工程區(qū)未來(lái)面臨的地震危險(xiǎn)性主要來(lái)自于鮮水河地震帶和安寧河地震帶對(duì)它的影響。進(jìn)水口塔基大部分布置在以IV類(lèi)強(qiáng)風(fēng)化、弱卸荷的花崗巖為主的巖體上,部分布置在Ⅴ類(lèi)為主的巖體上。地震基本烈度為8度,壩址50年超越概率5%基巖水平向峰值加速度為0.331g。

        引水系統(tǒng)由電站進(jìn)水口和引水隧洞組成,電站進(jìn)水口采用岸塔式,進(jìn)水口布置在距壩上游100m處,與大壩左壩肩相連,進(jìn)水塔前沿4臺(tái)機(jī)組進(jìn)水口呈“一”字型并排布置。進(jìn)水口底板高程1090.00m,底板建基面高程1085.00m。進(jìn)水口的進(jìn)水前沿總寬114.0 m,順?biāo)飨蜷L(zhǎng)30.0 m,總高度50 m。引水隧洞共4條,洞徑為10.0 m,隧洞中心距34.0 m,隧洞中心線(xiàn)方位角為N60.256°W,隧洞圍巖材料主要為Ⅱ、Ⅲ類(lèi)花崗巖。每個(gè)進(jìn)水單元有5×2道攔污柵,進(jìn)水口孔口斷面8.0m×10.0m(寬×高)。塔體段設(shè)有檢修門(mén)、工作門(mén)各一道,工作門(mén)后設(shè)通氣孔。

        1 計(jì)算模型

        圖1 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)與基巖有限元計(jì)算網(wǎng)格圖

        圖2 整體進(jìn)水口

        由于多塔并列塔體整體性好,使得抗震性能要有所提高,所以本文僅研究單個(gè)塔體的地震動(dòng)反應(yīng)。有限元計(jì)算模型包括進(jìn)水口攔污柵框架、塔身整體結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的巖石基礎(chǔ)。進(jìn)水口攔污柵框架、塔體和基巖均按照六/五面體8/6節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元離散,按照真實(shí)設(shè)計(jì)尺寸建立有限元模型。邊界條件考慮了基巖各地層風(fēng)化條件、施工開(kāi)挖的強(qiáng)弱卸載條件影響。網(wǎng)格剖分根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn),在結(jié)構(gòu)開(kāi)孔周邊和截面發(fā)生突變的關(guān)鍵部位適當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。進(jìn)水口塔身混凝土與引水隧洞之間留有結(jié)構(gòu)施工縫,計(jì)算中采用將此部分分開(kāi)處理,而塔背上部二期回填混凝土與岸坡采用粘結(jié)條件處理。結(jié)構(gòu)混凝土為C20,基礎(chǔ)置換與回填混凝土為C15。靜力分析中,混凝土材料的彈性模量按照設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算,動(dòng)力分析中彈性模量較靜力分析提高30%,相應(yīng)動(dòng)強(qiáng)度提高30%考慮,以反映混凝土材料對(duì)加載速率的影響。

        2 荷載說(shuō)明

        有限元分析計(jì)算中混凝土結(jié)構(gòu)所考慮的主要荷載包括:結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、設(shè)備自重、揚(yáng)壓力、滲透壓力、浪壓力、活荷載、施工荷載、溫降、地震慣性力和地震動(dòng)水壓力等。揚(yáng)壓力:作用在塔體建基面上的揚(yáng)壓力按相應(yīng)水位分別計(jì)算。建基面上只考慮浮托力的作用,不考慮滲透壓力。滲透壓力:考慮進(jìn)水口結(jié)構(gòu)塔背從1105.0~1135.0采用C15混凝土回填,考慮回填混凝土與結(jié)構(gòu)混凝土之間存在滲透水壓力。滲透壓力按相應(yīng)作用水頭分別計(jì)算。浪壓力:實(shí)際計(jì)算中,浪壓力考慮為單位寬度壓力。有限元計(jì)算中處理為面分布?jí)毫?,并作用在相關(guān)的結(jié)構(gòu)部位。溫降:混凝土結(jié)構(gòu)分別考慮均勻溫降5℃和10℃兩種情況,不考慮結(jié)構(gòu)溫降梯度影響。地震水壓力的取值是根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定,塔內(nèi)、外的地震水壓力可分別作為塔內(nèi)、外表面的附加質(zhì)量考慮,并作用在相應(yīng)作用面上,按式(1)計(jì)算

        式(1)中,mw(h)-水深h處單位高度動(dòng)水壓力附加質(zhì)量代表值;ψm(h)-附加質(zhì)量分布系數(shù);ηw-形狀系數(shù);A-塔體沿高度平均截面于水體交線(xiàn)包絡(luò)面積;a-塔體垂直地震作用方向的迎水面最大寬度沿高度的平均值。

        3 動(dòng)力特性計(jì)算成果與分析

        進(jìn)水口動(dòng)力特性的計(jì)算內(nèi)容包括施工期空庫(kù)狀態(tài)動(dòng)力特性和運(yùn)行期滿(mǎn)庫(kù)狀態(tài)動(dòng)力特性,以比較結(jié)構(gòu)頻率和振型的差別與變化。表一給出了兩個(gè)工況下的自振頻率和振型。比較可知:1)進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的低階頻率所對(duì)應(yīng)的振型屬整體振動(dòng),頻率值相差明顯,可以采用反應(yīng)譜理論計(jì)算進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng);2)高階頻率所對(duì)應(yīng)的振型基本上屬于框架上的柵柱、橫撐和縱撐的局部振動(dòng);3)附加質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)低價(jià)頻率影響較小,各階振型基本保持不變。施加順?biāo)飨蚋郊淤|(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)第一階頻率影響僅為2.9%;施加橫水流向附加質(zhì)量后,結(jié)構(gòu)低階頻率基本不變,前三階頻率不變,第四階頻率略有降低;4)附加質(zhì)量對(duì)結(jié)構(gòu)高價(jià)頻率影響比較明顯,即附加質(zhì)量對(duì)攔污柵框架的局部振動(dòng)影響較大。

        施工期結(jié)構(gòu)自振頻率 運(yùn)行期結(jié)構(gòu)自振頻率

        表1 不同工況下的結(jié)構(gòu)自振頻率

        4 地震反應(yīng)計(jì)算結(jié)果

        振型分解反應(yīng)譜法是各國(guó)抗震規(guī)范中建議的一種主要抗震分析方法。根據(jù)振型分解法,結(jié)構(gòu)在任一時(shí)刻所受的地震作用為該時(shí)刻各振型地震作用的線(xiàn)性疊加。但是當(dāng)某一時(shí)刻的某一振型的地震作用以及由此產(chǎn)生的效應(yīng)達(dá)到最大值時(shí),其他振型的地震作用以及由此產(chǎn)生的效應(yīng)不一定是最大值。因此,若利用各振型的地震效應(yīng)峰值來(lái)總合成結(jié)構(gòu)總的地震效應(yīng),則需要研究陣型組合的問(wèn)題。由分析可知,當(dāng)?shù)卣饡r(shí)地面運(yùn)動(dòng)為平穩(wěn)隨機(jī)過(guò)程時(shí),對(duì)于各平動(dòng)振型產(chǎn)生的地震效應(yīng)可近似地采用下列“平方和開(kāi)方”法確定:

        式中:Sm-m振型地震作用產(chǎn)生的作用效應(yīng),其包括內(nèi)力和變形。

        4.1 地震反應(yīng)位移

        由于篇幅有限,表二給出了單獨(dú)地震順?biāo)飨蛩脚c垂直地震組合(工況1)和單獨(dú)地震橫水流向水平與垂直地震組合(工況2)激勵(lì)下攔污柵框架上柵柱、縱撐、橫撐和胸墻順?biāo)飨蛭灰祈憫?yīng)峰值。由表二可知攔污柵框架順?biāo)飨蜃畲笏轿灰芔X發(fā)生在柵柱頂部和胸墻頂部,最大值為11.28mm。因此,攔污柵框架頂部胸墻與塔身相連,形成整體后,極大地增大了攔污柵框架與塔身的整體性,有益抵抗橫水流向和順?biāo)飨虻乃降卣鸺?lì)。

        表2 攔污柵框架順?biāo)飨蛩轿灰芔X峰值表(mm)

        4.2 地震反應(yīng)應(yīng)力

        總的來(lái)看,在工況1中,縱撐和柵柱上的拉應(yīng)力峰值要明顯大于橫撐上的拉應(yīng)力峰值。在工況2中,前橫撐上的橫河向正拉應(yīng)力峰值最大,達(dá)到6.025MPa。計(jì)算結(jié)果表明:在工況1中,建基面、底板、喇叭口上唇和塔背部分混凝土的垂直向拉應(yīng)相對(duì)較大;其中,底板垂直向的拉應(yīng)力達(dá)到2.629MPa,是塔身中混凝土拉應(yīng)力最高的部位,表明塔身對(duì)垂直向地震的響應(yīng)比較敏感。同一條件下,檢修門(mén)槽、工作門(mén)槽和通氣孔部分混凝土普遍相對(duì)較低,孔邊動(dòng)應(yīng)力集中程度不明顯。在工況2中,底板、喇叭口上唇、工作門(mén)槽和塔背部分混凝土的垂直向和橫水流向水平拉應(yīng)力均相對(duì)較大;其中,由于回填混凝土對(duì)塔身的約束,塔背的垂直向拉應(yīng)力達(dá)到2.159MPa,是塔身中混凝土拉應(yīng)力最高的部位;同樣表現(xiàn)出底板對(duì)垂直向地震的響應(yīng)比較敏感。工作門(mén)槽孔處的垂直向和橫水流向拉應(yīng)力峰值分別達(dá)到1.654MPa和1.821MPa,喇叭口上唇動(dòng)應(yīng)力集中程度較明顯,其橫水流向拉應(yīng)力峰值達(dá)到2.070MPa。

        5 主要結(jié)論和建議

        1)在地震激勵(lì)下,進(jìn)水口塔身結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形較小,表明塔身已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)目拐鹦阅堋5珨r污柵框架上的水平橫撐和縱撐出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力,是整個(gè)進(jìn)水口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的控制條件。根本原因還是地震設(shè)計(jì)加速度值高,塔身與攔污柵框架連接部位的水平橫撐和縱撐成為體系中的薄弱環(huán)節(jié);2)橫水流向地震對(duì)進(jìn)水口結(jié)果的作用效應(yīng)要比順?biāo)飨虻淖饔眯?yīng)明顯,而垂直向地震對(duì)底板的作用效應(yīng)比較明顯;3)計(jì)算中考慮了機(jī)組單元的橫縫灌漿,應(yīng)是一種工程抗震措施,實(shí)際情況下機(jī)組單元之間的相互約束沒(méi)有計(jì)算模型理想;4)塔背回填混凝土、機(jī)組之間的灌漿可以比較有效地使進(jìn)水口結(jié)構(gòu)加強(qiáng)聯(lián)系,是可行的抗震工程措施,建議設(shè)計(jì)中應(yīng)對(duì)施工質(zhì)量提出具體要求,使結(jié)構(gòu)實(shí)際狀態(tài)與有限元分析模型相一致;5)基巖條件對(duì)流道底板、建基面順?biāo)飨蚺c橫水流向水平拉應(yīng)力峰值和作用范圍影響比較明顯;置換混凝土基礎(chǔ)對(duì)降低流道底板、建基面的拉應(yīng)力有效;置換混凝土基礎(chǔ)后,也可以降低流道底板、建基面順?biāo)飨蚺c橫水流向水平拉應(yīng)力峰值和作用范圍,但對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性影響甚微,對(duì)改善結(jié)構(gòu)抗震性能作用不大。

        [1]郭瀟,李必如,王日宣.強(qiáng)震區(qū)塔式進(jìn)水口建筑物地震反應(yīng)研究[J].水利水電工程設(shè)計(jì),1997(1).

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