王 倩,薛興祖,侯 薇

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院,吉林 長春 130000)

重力壩抗震安全評價及配筋效果研究

王 倩,薛興祖,侯 薇

(吉林省水利水電勘測設(shè)計研究院,吉林 長春 130000)

為研究重力壩閘墩壩段的抗震安全性能及優(yōu)化鋼筋配置方案,按照新版抗震設(shè)計規(guī)范要求,采用振型分解反應(yīng)譜法和時程分析方法,進行線彈性動力響應(yīng)計算.校核該壩的極限承載力并對比驗證時程分析和反應(yīng)譜分析結(jié)果.基于Drucker-Prager彈塑性本構(gòu)模型進行非線性動力分析,對比不同配筋方案的減震效果.結(jié)果表明:該閘墩壩能夠滿足新版抗震設(shè)計規(guī)范的要求.在閘墩與堰面交界面及壩踵處,配置普通鋼筋和在局部應(yīng)力集中部位配置預(yù)應(yīng)力鋼筋,能夠有效提高重力壩的抗震性能.

混凝土重力壩;抗震安全評價;非線性動力分析;配筋

1 概述

重力壩多建于地震頻發(fā)地區(qū),開展抗震安全評價十分必要且意義重大.其中,材料力學法與有限元法是現(xiàn)行NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》所推薦的兩類驗算方法.規(guī)范規(guī)定對于壩高較大、建筑物抗震設(shè)防等級較高或結(jié)構(gòu)和地基條件復(fù)雜的重力壩,除了應(yīng)采用動、靜力的材料力學法計算,還應(yīng)補充振型分解反應(yīng)譜分析、時程分析和非線性分析進一步論證.對于溢流壩閘墩與堰面交接部位等抗震薄弱部位,應(yīng)加強配筋設(shè)計.

國內(nèi)外學者也對此開展了深入的研究.Chopra[1]認為在設(shè)計大壩時,只有極少數(shù)在強震區(qū)的混凝土壩允許有限開裂.林皋[2]深入總結(jié)了汶川地震中典型大壩的震害特點,指出減小重力壩震害的關(guān)鍵在于對壩體頭部和壩踵等存在應(yīng)力集中的薄弱部位采取有效的抗震措施.Martin[3]基于剛體平衡方程和梁理論開發(fā)了一款重力壩計算機輔助設(shè)計軟件(CADAM),用于應(yīng)力、裂縫和安全系數(shù)的分析計算.范書立和丁柱[4,5]分別結(jié)合新舊兩版抗震設(shè)計規(guī)范開展重力壩抗震安全評價.張楚漢[6]總結(jié)了高混凝土壩抗震安全評價的最新研究成果,指出包括動力損傷分析在內(nèi)當前研究所面臨的關(guān)鍵問題.錢聲源[7]基于ADINA軟件的非線性接觸模型研究復(fù)雜層狀地基條件下重力壩的抗震性能.陳立和申振東[8,9]分別基于混凝土塑性損傷模型和彌散裂縫模型開展對大壩地震損傷破壞的模擬.

文中基于新版抗震規(guī)范,針對某重力壩閘墩壩段進行抗震安全評價,并結(jié)合Druck-Prager非線性模型的分析結(jié)果,研究不同配筋方案對大壩抗震性能的改善效果.

2 計算參數(shù)及分析方法

某碾壓混凝土重力壩,閘墩壩段壩高86.54 m,工程規(guī)模為大(1)型,地震基本烈度為7度,最大可信地震加速度按100年超越概率為0.01的概率法確定取值為0.172 g.大壩及泄水建筑物按500年一遇的洪水設(shè)計,10 000年一遇的洪水校核.其上下游正常蓄水分別為263.5 m和195.7 m,校核洪水位為268.5 m和203.7 m.壩體內(nèi)部碾壓混凝土(RV)和上游外部碾壓混凝土(RIII)強度等級分別為C9015和C9020.壩基墊層常態(tài)混凝土(CV)及閘墩常態(tài)混凝土(CIV)強度等級分別為C2820和C2840.圖1給出了閘墩壩段基本幾何參數(shù)和靜力荷載示意圖.

圖1 閘墩壩段計算模型

計算地震作用效應(yīng),采用振型分解反應(yīng)譜法分析時,各階振型按照完全二次型方根法組合:

式中:SE表示地震作用效應(yīng),Si表示第i階振型的地震作用效應(yīng),m為計算采用的振型數(shù)(計算中忽略地震作用效應(yīng)不超過5%的高階振型影響),ρij表示第i階和第 j階的振型相關(guān)系數(shù).

時程分析后處理遍歷ANSYS結(jié)果的所有時間荷載步,搜尋第一主應(yīng)力最大值和第三主應(yīng)力最小值,然后賦予結(jié)果數(shù)據(jù)庫,再后處理得到的壩基處應(yīng)力幅值曲線,與振型分解反應(yīng)譜法進行對比.

重力壩的非線性分析采用Drucker-Prager(DP)屈服準則,DP準則是在Von-Mises準則基礎(chǔ)上考慮平均主應(yīng)力對抗剪強度影響而發(fā)展的一種準則.

其中:σm為三個方向的平均應(yīng)力,M同Von-Mis?es準則中的常系數(shù)矩陣.材料常數(shù)β和屈服強度σy可表示為:

這里DP模型所采用的參數(shù)包括:材料黏聚力c=1.3MPa,內(nèi)摩擦角 φ=46.4°,膨脹角 φf=φ .根據(jù)計算的壩體塑形區(qū)發(fā)展和應(yīng)力狀態(tài)確定配筋方案,配筋分為普通鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼筋兩種.普通鋼筋采用整體式模型,通過設(shè)置鋼筋的體積配筋率和配筋方向來模擬.預(yù)應(yīng)力鋼筋采用等效荷載法.也即將力筋的作用以等效荷載的形式作用于結(jié)構(gòu).

3 混凝土重力壩線彈性動力響應(yīng)分析

動力響應(yīng)分析采用3D有限元模型,地基采用無質(zhì)量地基模型,靜彈模取1.2GPa,動彈模取靜彈模的1.5倍.地基按照壩高的1.5倍分別從壩面上下游、壩基底向外取用.地基兩側(cè)水平向約束,地基底面全部約束,垂直河流向地基兩側(cè)面法向約束.做抗震計算時,上游水位取正常蓄水位,下游水位取最低尾水位,考慮靜水壓力、自重、揚壓力作用影響,地震作用效應(yīng)分別按照振型分解反應(yīng)譜法和時程法計算.當采用時程分析法分析時,根據(jù)設(shè)計反應(yīng)譜生成人工地震波,結(jié)構(gòu)及地基阻尼按照規(guī)范要求比均取為10%.采用振型分解反應(yīng)譜法和時程法計算圖2中特征點主應(yīng)力和建基面的應(yīng)力分布,如表1、表2及圖2所示.

在靜力工況中,特征點沒有出現(xiàn)拉應(yīng)力,且最大主壓應(yīng)力為-7.18 MPa,能夠滿足要求這里不再贅述.而對于承載力極限狀態(tài)的驗算,最大可信地震動工況起控制作用,壩體下上游壩面混凝土抗壓強度為10.97 MPa(考慮材料性能分項系數(shù)1.5、結(jié)構(gòu)系數(shù)1.3、偶然設(shè)計狀況系數(shù)0.85和結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)1.1),其動態(tài)抗壓強度取其的1.5倍為16.45 MPa,動抗拉強度標準值取動抗壓強度標準值的0.1倍,考慮各項系數(shù)后取為3.06 MPa.查表可以看出上游壩面最大第一主應(yīng)力為1.10 MPa,出現(xiàn)在地震工況6中(靜力荷載+0.172 g規(guī)范譜)的壩踵位置,小于壩基墊層混凝土設(shè)計抗拉強度3.06 MPa.最大第三主應(yīng)力為-8.40 MPa,小于壩基墊層混凝土設(shè)計強度16.45 MPa.下游壩面最大第一主應(yīng)力出現(xiàn)在下游折坡處,其值為2.00 MPa,也滿足抗拉強度驗算要求.最大第三主應(yīng)力同樣出現(xiàn)在該處,其值為-6.50 MPa,顯然同樣滿足抗震應(yīng)力強度要求.此外廊道處的應(yīng)力集中也較嚴重,最大主壓應(yīng)力達到-1.80 MPa,最大主拉應(yīng)力為0.69 MPa.雖然均能滿足抗震設(shè)計要求,但在工程中還應(yīng)對以上部位采取必要的抗震安全措施.

表1 特征點第一主應(yīng)力

表2 特征點第三主應(yīng)力

圖2 特征點示意圖

由圖3建基面主應(yīng)力分布結(jié)果(0.172 g工況)可以看出,壩踵處存在應(yīng)力集中.時程分析第一主應(yīng)力由壩踵處1.5 MPa迅速降至帷幕線處0.2 MPa,在此工況下帷幕處存在一定的拉應(yīng)力.而第三主應(yīng)力由壩踵處-5.5 MPa迅速降至帷幕線處-2.5 MPa.此外,在本例中譜分析的結(jié)果與時程分析結(jié)果基本一致且包絡(luò)時程分析.

圖3 壩基面應(yīng)力分布

4 基于Drucker-Prager模型的非線性分析

針對線彈性分析計算的高應(yīng)力區(qū),主要包括閘墩與堰面交界面和壩踵部位,采用兩種配筋方式,以下分別稱為低配筋和高配筋方式,進行非線性分析.分別配置3(6)根預(yù)應(yīng)力錨索,括號內(nèi)的數(shù)字表示高配筋方式中配置數(shù)量,每根錨索采用42?15.2的預(yù)應(yīng)力鋼絞線.彈模為195 GPa,泊松比為0.3.每根錨索施加的預(yù)應(yīng)力為7 200 kN,即每根錨索的計算張拉應(yīng)力為1 020 MPa.錨索采用ANSYS的link1單元模擬,不考慮屈服.為了減小閘墩與堰面接觸地方和壩踵的應(yīng)力集中以及塑性區(qū)發(fā)展.在局部配置普通鋼筋,彈模200 GPa,泊松比0.3.閘墩與堰面接觸處順河向的鋼筋間距250 mm(150 mm),總計176根28,橫河向在閘墩內(nèi)部對稱布置3(5)排,即鋼筋間距為375 mm(300 mm).壩踵處順河向鋼筋間距200 mm(150 mm),總計25?32(?32),橫河向在壩踵內(nèi)部對稱布置15排,即鋼筋間距為500 mm(200 mm).

不同鋼筋配置方案第一主應(yīng)力,對比線彈性模型和彈塑性模型分析結(jié)果(表3),可發(fā)現(xiàn)彈塑性分析的應(yīng)力和應(yīng)變較線彈性模型有所降低,這是由于塑形應(yīng)變釋放能量所造成的.對比無配筋與有配筋的彈塑性模型發(fā)現(xiàn),配筋改善了應(yīng)力集中處的應(yīng)力狀態(tài)和塑形區(qū)的發(fā)展,如壩踵的第一主應(yīng)力由2.21 MPa降至2.10 MPa再降至2.01 MPa(表4),應(yīng)力降低并不是很多,這是由于應(yīng)力極值通常出現(xiàn)在塑性區(qū)開始發(fā)展前,此時鋼筋應(yīng)變很小,檢查混凝土的第一主應(yīng)變可知,鋼筋應(yīng)變僅有10-5量級(模型不考慮鋼筋與混凝土間相對滑移),乘以彈模算得的應(yīng)力應(yīng)在10 MPa以內(nèi),鋼筋沒有發(fā)揮較大作用.盡管應(yīng)力降低的并不多,但對比第一主應(yīng)力,最大值的區(qū)域縮小了很多.這是由于當塑形變形開始發(fā)展時,累計塑形應(yīng)變達到了10-4量級,鋼筋應(yīng)力可達到幾十個兆帕,因而鋼筋可較好的抑制裂縫的開展.而事實上也正是如此,此時鋼筋的最大應(yīng)力達到了114.5 MPa.

對于預(yù)應(yīng)力錨索,由于本模型按后張法施加,認為初始狀態(tài)預(yù)應(yīng)力鋼束與壩體無摩擦力,預(yù)應(yīng)力作用在錨墊板上按均布力模擬在相應(yīng)的壩頂和基巖位置,這樣造成力的傳遞路徑較遠,沒能起到改善拉應(yīng)力的作用.而如果將預(yù)應(yīng)力鋼筋的錨墊板布置在壩踵區(qū)附近,可有效減小壩踵的主拉應(yīng)力.可見壩踵的主拉應(yīng)力明顯改善,壩踵的最大第一主應(yīng)力僅為0.64 MPa.

5 結(jié)論

依據(jù)新修訂的《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》,對豐滿重力壩閘墩壩段進行抗震安全評價,得出結(jié)論如下:

表3 無配筋情況線彈性與彈塑性分析比較

表4 不同配筋方案計算結(jié)果比較

1)該閘墩壩段在遭受最大可信地震作用下,壩體是安全的.

2)本例中采用振型分解反應(yīng)譜法與時程法分析的建基面上應(yīng)力分布結(jié)果基本一致且包絡(luò)時程分析.

3)閘墩與堰面交界面和壩踵處受地震作用拉應(yīng)力水平較高,在這些地方配置普通鋼筋可以提高大壩的延性,改善大壩的抗震性能.

4)配置預(yù)應(yīng)力鋼筋應(yīng)在局部應(yīng)力集中處配置,盡量減小力的傳遞路徑,預(yù)先給混凝土壓應(yīng)力儲備,可有效改善壩體受拉部位的受力狀況.

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1002-0624(2017)11-0050-03

2017-07-31