程漢昆(大連市水利規(guī)劃設(shè)計院,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)計院,遼寧大連116021)
采用有限單元法對某水電站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)抗震性能進(jìn)行了數(shù)值仿真計算。選取了進(jìn)水口典型結(jié)構(gòu),分別分析其在設(shè)計地震動及校核地震動激勵下結(jié)構(gòu)的靜、動力特性,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
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,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)計地震動及校核地震動情況下結(jié)構(gòu)的靜、動力特性。以期對該進(jìn)水口的施工及類似研究提供科學(xué)依據(jù)。
1.1 計算模型
根據(jù)進(jìn)水口平面布置圖,建立了三維有限元計算模型。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。為了避免地基對地震效應(yīng)的放大作用以及地震波反射對結(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]。
計算模型坐標(biāo)選取如下:順?biāo)魉椒较驗閄軸,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 計算荷載
計算荷載分靜力和動力兩種工況。其中靜力工況計算荷載分為: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。動力工況計算荷載主要考慮結(jié)構(gòu)地震慣性力和塔體內(nèi)外動水壓力對進(jìn)水口結(jié)構(gòu)整體動力響應(yīng)的作用。動力計算考慮結(jié)構(gòu)在順?biāo)鞣较蚝蜋M水流方向兩個方向的地震作用,地震反應(yīng)譜根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[2]中規(guī)定選取,具體參數(shù)見表1。
2.1 基本假設(shè)
在靜動力計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);②一般測得的地震波大都為地表加速度波譜。鑒于有質(zhì)量地基會對地震波產(chǎn)生放大和扭曲作用,計算借鑒抗震計算較為成熟的經(jīng)驗,巖質(zhì)地基部分采用無質(zhì)量地基模型。
表1 地震設(shè)計動參數(shù)
2.2 靜力分析
靜力計算采用有限單元法。有限單元法是利用彈性理論和計算機(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際問題一種非常有效的計算工具。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 動力分析
①動力計算基本運動方程為:
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,須利用式(2)進(jìn)行修正。設(shè)計反應(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時的標(biāo)準(zhǔn)值;β為其他阻尼比對應(yīng)的設(shè)計反應(yīng)譜。
③根據(jù)規(guī)范[2],用動力法計算進(jìn)水塔地震作用效應(yīng)時,分別以塔體內(nèi)外表面附加質(zhì)量來考慮塔內(nèi)外動水壓力,計算公式如下:
式中各符號意義詳見規(guī)范[2]。
3.1 自振特性分析
通過三維有限元計算,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)計上對地震安全是有利的。
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。上下游方向和豎向位移對總位移起到主要貢獻(xiàn)作用。
通過有限元計算結(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 動力成果分析
3.3.1 動位移分析
表3給出了進(jìn)水口分別在設(shè)計地震動及校核地震動激勵下在x,y,z三個方向的動位移最大值。
表3 動位移最大值計算成果 (mm)
由表3可以看出,結(jié)構(gòu)的總位移起決定性貢獻(xiàn)的是地震動作用方向的位移,垂直地震動作用方向的位移分量對總位移貢獻(xiàn)不大。在設(shè)計和校核地震動作用下,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 動應(yīng)力分析
表4給出了進(jìn)水口分別在設(shè)計地震動及校核地震動激勵下的第一主應(yīng)力計算值。
表4 第一主應(yīng)力計算成果 (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)整體動態(tài)強度通過配筋設(shè)計等可以得到保證。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)計需要重點關(guān)注的。
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體/空腔比例相對較大,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)計對抗地震是有利的。
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)相對不突出,結(jié)構(gòu)水平向位移及應(yīng)力均不大。
3)在設(shè)計和校核地震動單獨作用下,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)整體動態(tài)強度通過配筋設(shè)計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)計需要重點關(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.
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