程漢昆（大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧大連116021）

岸塔式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)抗震分析

程漢昆
（大連市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院，遼寧大連116021）

采用有限單元法對(duì)某水電站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了數(shù)值仿真計(jì)算。選取了進(jìn)水口典型結(jié)構(gòu)，分別分析其在設(shè)計(jì)地震動(dòng)及校核地震動(dòng)激勵(lì)下結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力特性，得出該進(jìn)水口抗震性能良好的結(jié)論，給出了結(jié)構(gòu)抗震的薄弱部位。從而為該進(jìn)水口的施工及類似研究提供科學(xué)依據(jù)。

抗震分析；有限單元法；進(jìn)水口；反應(yīng)譜法

0 引言

水電站進(jìn)水口位于輸水系統(tǒng)首部，其功能是按負(fù)荷要求引進(jìn)發(fā)電用水。水電站進(jìn)水口可分為有壓進(jìn)水口及無壓進(jìn)水口兩大類，其中有壓進(jìn)水口又可以分為豎井式進(jìn)水口、岸塔式進(jìn)水口、塔式進(jìn)水口及壩式進(jìn)水口[1]。

某水電站進(jìn)水口為岸塔式進(jìn)水口，總寬度為87.0 m，順?biāo)鞣较蜷L度為28.5 m，塔高34.0 m。進(jìn)水口順?biāo)鞣较蚍譃閿r污柵段和閘門段，塔頂設(shè)雙向門式啟閉機(jī)一臺(tái)，用于起吊攔污柵和檢修門。本文以該水電站岸塔式進(jìn)水口為算例，計(jì)算考慮進(jìn)水口、地基、山體、水體之間相互作用下的水電站進(jìn)水口在遭遇設(shè)計(jì)地震動(dòng)及校核地震動(dòng)情況下結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力特性。以期對(duì)該進(jìn)水口的施工及類似研究提供科學(xué)依據(jù)。

1 計(jì)算模型與計(jì)算荷載

1.1 計(jì)算模型

根據(jù)進(jìn)水口平面布置圖，建立了三維有限元計(jì)算模型。進(jìn)水口邊墩、中墩、橫墻、樓板采用shell63殼單元，梁結(jié)構(gòu)采用beam188單元，其他混凝土結(jié)構(gòu)、地基采用實(shí)體solid45單元，附加質(zhì)量采用mass21三方向質(zhì)量單元。進(jìn)水口齒槽底部高程為2 681.5 m，進(jìn)水口前沿進(jìn)水底板高程為2 690.0 m；塔頂高程為2 721.0 m。為了避免地基對(duì)地震效應(yīng)的放大作用以及地震波反射對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，半無限域地基按照傳統(tǒng)無質(zhì)量地基模型進(jìn)行模擬，底部采用固定約束，四周采用黏彈性邊界[5]。

計(jì)算模型坐標(biāo)選取如下：順?biāo)魉椒较驗(yàn)閄軸，指向下游為X正方向；垂直X軸水平方向作為Y軸；豎直向上為Z軸，Z軸與X，Y軸成右手定則。

1.2 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載分靜力和動(dòng)力兩種工況。其中靜力工況計(jì)算荷載分為：①結(jié)構(gòu)自重；②塔體內(nèi)外靜水壓力；③回填土壓力；④揚(yáng)壓力；⑤風(fēng)壓力；⑥浪壓力；⑦進(jìn)水塔攔污柵前后水頭差取水壓差標(biāo)準(zhǔn)值4 m水頭。動(dòng)力工況計(jì)算荷載主要考慮結(jié)構(gòu)地震慣性力和塔體內(nèi)外動(dòng)水壓力對(duì)進(jìn)水口結(jié)構(gòu)整體動(dòng)力響應(yīng)的作用。動(dòng)力計(jì)算考慮結(jié)構(gòu)在順?biāo)鞣较蚝蜋M水流方向兩個(gè)方向的地震作用，地震反應(yīng)譜根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中規(guī)定選取，具體參數(shù)見表1。

2 計(jì)算方法

2.1 基本假設(shè)

在靜動(dòng)力計(jì)算過程中采用了以下假設(shè)：①混凝土和巖體均認(rèn)為是線彈性介質(zhì)，不考慮其塑性變形效應(yīng)；②一般測(cè)得的地震波大都為地表加速度波譜。鑒于有質(zhì)量地基會(huì)對(duì)地震波產(chǎn)生放大和扭曲作用，計(jì)算借鑒抗震計(jì)算較為成熟的經(jīng)驗(yàn)，巖質(zhì)地基部分采用無質(zhì)量地基模型。

表1 地震設(shè)計(jì)動(dòng)參數(shù)

2.2 靜力分析

靜力計(jì)算采用有限單元法。有限單元法是利用彈性理論和計(jì)算機(jī)軟件求解數(shù)值方程的一種數(shù)值分析方法，也是解決大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)或者多自由度體系等工程實(shí)際問題一種非常有效的計(jì)算工具。有限元分析中最基本的思想是單元離散，即將復(fù)雜的連續(xù)體結(jié)構(gòu)剖分為數(shù)量和尺寸有限的若干單元，然后就各單元進(jìn)行分析，最后集成求解整體位移，進(jìn)而求解單元變形及內(nèi)力[4]。

2.3 動(dòng)力分析

①動(dòng)力計(jì)算基本運(yùn)動(dòng)方程為：

式中：M，C，K分別為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣、阻尼矩陣和剛度矩陣分別為結(jié)構(gòu)的加速度向量、速度向量和位移向量為結(jié)構(gòu)的外荷載矩陣。

②動(dòng)力分析采用反應(yīng)譜法[3]。反應(yīng)譜采用規(guī)范建議的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)加速度反應(yīng)譜。此反應(yīng)譜只適用于阻尼比ξ＝0.05的情況。當(dāng)阻尼比不等于0.05時(shí)，須利用式（2）進(jìn)行修正。設(shè)計(jì)反應(yīng)譜參見圖1。

圖1 地震反應(yīng)譜特征曲線

式中：β0為相應(yīng)于λ0=0.05時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)值；β為其他阻尼比對(duì)應(yīng)的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜。

③根據(jù)規(guī)范[2]，用動(dòng)力法計(jì)算進(jìn)水塔地震作用效應(yīng)時(shí)，分別以塔體內(nèi)外表面附加質(zhì)量來考慮塔內(nèi)外動(dòng)水壓力，計(jì)算公式如下：

式中各符號(hào)意義詳見規(guī)范[2]。

3 計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 自振特性分析

通過三維有限元計(jì)算，提取前20階振型頻率列于表2中。

表2 進(jìn)水口自振頻率（Hz）

塔體結(jié)構(gòu)平面尺寸及斷面內(nèi)混凝土實(shí)體部分面積均較大，加之邊墩與中墩上部有橫墻相互連接，中下部橫水流方向墩墻之間有橫梁支撐，順?biāo)鞣较蛴锌v梁與閘墩相連，使得塔體整體剛度相對(duì)較大，塔體固有頻率較高。主要薄弱構(gòu)件是進(jìn)水塔前端的攔污柵墩，地震反應(yīng)較突出。

第一階自振頻率為6.5 Hz，對(duì)應(yīng)自振周期為0.154 s，在地震反應(yīng)譜卓越周期范圍（0.1～0.45 s）之內(nèi)，但小于特征周期Tg=0.45 s。塔體結(jié)構(gòu)整體剛度較大，設(shè)計(jì)上對(duì)地震安全是有利的。

3.2 靜力成果分析

在靜力荷載作用下，最大靜位移發(fā)生在塔體樓板上，最大值為3.12 mm，變形量值不大。在正常蓄水位工況各種靜力荷載組合作用下，進(jìn)水口有向上游傾倒變形的趨勢(shì)。上下游方向和豎向位移對(duì)總位移起到主要貢獻(xiàn)作用。

通過有限元計(jì)算結(jié)果可以看出，閘門槽大體積混凝土結(jié)構(gòu)以豎向壓應(yīng)力為主，最大壓應(yīng)力超過1.77 MPa。樓板以水平順河向正應(yīng)力為主，最大值不超過1.0 MPa。橫墻以水平Y(jié)向正應(yīng)力為主，最大值0.98 MPa。攔污柵閘墩以自重產(chǎn)生的豎向壓應(yīng)力為主，最大值1.8 MPa。各部位應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在構(gòu)件的聯(lián)結(jié)部位，分布面積不大，屬局部應(yīng)力集中現(xiàn)象。

3.3 動(dòng)力成果分析

3.3.1 動(dòng)位移分析

表3給出了進(jìn)水口分別在設(shè)計(jì)地震動(dòng)及校核地震動(dòng)激勵(lì)下在x，y，z三個(gè)方向的動(dòng)位移最大值。

表3 動(dòng)位移最大值計(jì)算成果 （mm）

由表3可以看出，結(jié)構(gòu)的總位移起決定性貢獻(xiàn)的是地震動(dòng)作用方向的位移，垂直地震動(dòng)作用方向的位移分量對(duì)總位移貢獻(xiàn)不大。在設(shè)計(jì)和校核地震動(dòng)作用下，進(jìn)水塔頂部位移較大，呈現(xiàn)出高聳懸臂結(jié)構(gòu)的特征。

進(jìn)水塔地震鞭梢效應(yīng)不顯著，是由于沒有設(shè)置機(jī)房等柔性較大的構(gòu)件，且進(jìn)水塔自身結(jié)構(gòu)剛度較大的原因。

3.3.2 動(dòng)應(yīng)力分析

表4給出了進(jìn)水口分別在設(shè)計(jì)地震動(dòng)及校核地震動(dòng)激勵(lì)下的第一主應(yīng)力計(jì)算值。

表4 第一主應(yīng)力計(jì)算成果 （MPa）

通過表4可以看出進(jìn)水口結(jié)構(gòu)地震應(yīng)力不十分突出，說明塔體結(jié)構(gòu)整體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度通過配筋設(shè)計(jì)等可以得到保證。局部應(yīng)力集中現(xiàn)象不可避免，主要集中在攔污柵墩、不同斷面過渡和構(gòu)件連接部位，這些部位大多是第一主應(yīng)力出現(xiàn)的位置，是抗震設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注的。

4 結(jié)論

1）塔體平面上作為矩形結(jié)構(gòu)，各水平向抗彎剛度相差不大，比較對(duì)稱均勻。無塔頂機(jī)房塔體高度不十分大，且背部依靠山體，加之結(jié)構(gòu)斷面尺寸及混凝土實(shí)體/空腔比例相對(duì)較大，塔體結(jié)構(gòu)整體剛度較高，其自振頻率也就比較高。

結(jié)構(gòu)第一階自振周期在地震卓越周期范圍內(nèi)，但小于場地地震特征周期，塔體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)抗地震是有利的。

2）在靜力作用下，結(jié)構(gòu)應(yīng)力以壓應(yīng)力為主，自重占主導(dǎo)作用，故豎向壓應(yīng)力分量較大。由于背靠山體，水壓力作用效應(yīng)相對(duì)不突出，結(jié)構(gòu)水平向位移及應(yīng)力均不大。

3）在設(shè)計(jì)和校核地震動(dòng)單獨(dú)作用下，結(jié)構(gòu)反應(yīng)呈現(xiàn)懸臂高聳結(jié)構(gòu)典型特征，地震放大效應(yīng)較為明顯，頂部位移相對(duì)較大。

由于塔體結(jié)構(gòu)剛度較大，地震鞭梢效應(yīng)并不十分突出。閘門槽處設(shè)計(jì)地震放大系數(shù)在4.5左右，攔污柵墩由于橫向支撐較弱，最大橫河向地震放大系數(shù)在10左右，相對(duì)于高度較大或有頂部機(jī)房的進(jìn)水口而言，地震放大效應(yīng)相對(duì)不十分顯著。

4）塔體結(jié)構(gòu)地震應(yīng)力不十分突出，說明塔體結(jié)構(gòu)整體動(dòng)態(tài)強(qiáng)度通過配筋設(shè)計(jì)等措施可以得到保證。局部應(yīng)力集中不可避免，主要集中在攔污柵墩以及不同構(gòu)件連接部位，是抗震設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注的部位。

［1］劉啟釗.水電站［M］.北京：中國水利水電出版社，2007.

［2］中國水利水電科學(xué)研究院.水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范（DL5073-2000）［S］.北京：中國電力出版社，2001.

［3］張繼勛，任旭華，王海軍.瀘定水電站泄洪洞進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震安全分析［J］.中國農(nóng)村水利水電，2010（1）：124 -127.

［4］楊樂，王海軍，趙典申.高聳岸塔式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力特性仿真分析［J］.水力發(fā)電，2011（5）：25-28.

［5］祖戚，孟凡理.猴子巖水電站高進(jìn)水塔三維有限元分析［J］.人民長江，2014（8）：63-65.

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