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        山東省郯城縣土山攔河閘抗震動(dòng)力分析研究

        2018-12-31 00:00:00劉剛
        水能經(jīng)濟(jì) 2018年9期

        【摘要】工程地處地震設(shè)計(jì)烈度8度區(qū),建筑物級(jí)別為1級(jí),故需采用動(dòng)力法進(jìn)行抗震驗(yàn)算。根據(jù)工程設(shè)計(jì),建立了巖石、基礎(chǔ)、中墩、排架、閘機(jī)房為一體的數(shù)值模型,進(jìn)行數(shù)值動(dòng)力模擬分析,以分析閘室不同部位的動(dòng)力響應(yīng),并評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。為此采用三維有限元?jiǎng)恿r(shí)程法和振型分解反應(yīng)譜法,對(duì)閘室進(jìn)行了8度烈度地震作用下動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析;采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)閘室整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明:結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和閘室整體穩(wěn)定,均滿足設(shè)計(jì)要求。

        【關(guān)鍵詞】地震設(shè)計(jì)烈度8度;建筑物級(jí)別為1級(jí);動(dòng)力法抗震驗(yàn)算

        1、概述

        1.1工程概況

        土山攔河閘為大(1)型水利工程,位于山東省郯城縣境內(nèi)。工程的主要任務(wù)是調(diào)控、攔蓄沂河上游來(lái)水,同時(shí)兼有灌溉、防洪、交通等綜合效益。

        建設(shè)項(xiàng)目主要包括:拆除重建攔河閘,重建攔河閘共39孔,每孔凈寬12m,閘室總寬528.80m;在左岸灘地新建交通橋,修復(fù)閘室右岸灘地漫水路;攔河閘上、下游護(hù)岸;拆除重建渠首引水閘;改建和完善工程管理設(shè)施等。

        工程洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)洪水流量為8000m3/s;選取洪水流量10000m3/s作為校核條件。

        主要建筑物閘室采用開(kāi)敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu),總凈寬468m,單孔凈寬12.0m,共39孔。其中左側(cè)22孔閘底板高程43.80m,右側(cè)17孔閘底板高程42.80m,并設(shè)高1m駝峰堰,中墩厚1.6m?;⌒武撡|(zhì)工作閘門(mén)12×6.5m(寬×高),卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。閘上設(shè)二級(jí)公路橋,橋面寬7.5+2×0.5m。

        1.1.1地質(zhì)

        閘址區(qū)基巖為寒武系中厚層灰?guī)r,屬可溶性巖層。場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度一般受巖性及斷裂構(gòu)造所控制,同時(shí)還受到地表水及地下水等水文地質(zhì)條件所影響。根據(jù)本次地質(zhì)測(cè)繪結(jié)合鉆孔資料,閘址場(chǎng)地表層巖溶形態(tài)主要為溶隙、溶槽、溶溝等。閘址場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度可分為表層強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化帶和裂隙性溶蝕風(fēng)化帶,其下部為巖溶不發(fā)育的微新巖體。

        對(duì)閘基底板砼與基巖間進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性復(fù)核,地基允許承載力1200kPa。

        根據(jù)工程勘察報(bào)告,閘底板與基巖摩擦系數(shù)抗剪斷摩擦系數(shù)為0.7。

        1.1.2計(jì)算力學(xué)參數(shù)

        巖土體動(dòng)參數(shù)的選取,不僅與巖土介質(zhì)的顆粒大小、破碎程度、骨架結(jié)構(gòu)密切相關(guān),還與地震波的頻譜、加載速率等密切相關(guān),通過(guò)少量實(shí)驗(yàn)獲得的巖體參數(shù)其代表性也難以保證。故本文采用規(guī)范中混凝土設(shè)計(jì)值及提供的巖土強(qiáng)度參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算,未考慮動(dòng)力作用對(duì)介質(zhì)參數(shù)的提高。

        1.2地震荷載

        1.2.1原理及方法

        地震波的人工合成,即根據(jù)輸入地震反應(yīng)譜,模擬地震動(dòng)的時(shí)間過(guò)程,多用加速度圖表示。加速度時(shí)程為一非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程,一般可用三角級(jí)數(shù)迭加法或自回歸滑動(dòng)平均模型模擬。

        三角級(jí)數(shù)迭加法的基本思想是用一組三角級(jí)數(shù)構(gòu)造一個(gè)近似的平穩(wěn)高斯過(guò)程,然后再乘以強(qiáng)度包絡(luò)線得到一個(gè)非平穩(wěn)的加速度時(shí)程曲線。

        1.2.2地震波荷載

        根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015),本工程場(chǎng)地的地震設(shè)計(jì)烈度按8度設(shè)防,土山攔河閘工程等別為Ⅰ等。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203-97),應(yīng)采用動(dòng)力法計(jì)算。各種情況的荷載計(jì)算均依據(jù)加固后的閘門(mén)現(xiàn)狀。

        其中自重采用實(shí)體材料模擬,靜水壓力、揚(yáng)壓力作為邊界力施加,地震時(shí)引起的動(dòng)水壓力采用下式施加:

        按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203-97), 8度地震設(shè)防水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值取0.2g。豎向設(shè)計(jì)地震加速度的代表值應(yīng)取水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值的2/3。

        水閘進(jìn)水塔及其他混凝土建筑物的動(dòng)力放大系數(shù)取2.25,場(chǎng)地特征周期0.25。按照設(shè)計(jì)反應(yīng)譜生成人工地震波,分別用于模擬水平向和豎向的地震震動(dòng),每個(gè)方向各生成3條地震波。

        1.3主要計(jì)算內(nèi)容

        針對(duì)閘室建立三維數(shù)值模型,考慮設(shè)計(jì)中需要計(jì)算的外界荷載,綜合采用動(dòng)力時(shí)程法和振型分解反應(yīng)譜法,分別進(jìn)行了抗震穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算,對(duì)閘室進(jìn)行抗震計(jì)算分析。

        2、閘室抗震動(dòng)力分析

        根據(jù)工程設(shè)計(jì),建立了巖石、基礎(chǔ)、中墩、排架、閘機(jī)房為一體的數(shù)值模型,進(jìn)行數(shù)值動(dòng)力模擬分析,以分析閘室不同部位的動(dòng)力響應(yīng),并評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。

        2.1模型建立

        由于邊墩在橫河向一側(cè)受巖土介質(zhì)約束,另外一側(cè)與中墩相連,故認(rèn)為邊墩在地震作用下的力學(xué)影響比中墩要輕,所以選取中墩建立圖2所示數(shù)值模型。模型的底部高程取43m,兩側(cè)則取鋼閘門(mén)的中心線。閘機(jī)房由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,在此簡(jiǎn)化為剛性塊處理,但其密度采用所需考慮的外荷載進(jìn)行等效計(jì)算,橫河向亦以鋼閘門(mén)的中線為界。

        2.2載荷施加

        考慮水壓力作用,正常蓄水條件下閘前水位為49.80m,采用靜水壓力等效的原則,按換算分布力,施加到計(jì)算模型的表面上,方向垂直模型表面指向模型內(nèi)部。

        在中墩上表面前部需要施加均布?jí)毫?,以模擬機(jī)架橋荷載。

        地震荷載地震波施加于模型底部的水平順河向,以地震波的2/3施加于模型垂直向,波的傳播方向垂直向上。邊界采用粘彈性邊界。Z方向?yàn)楦叨确较?,Y方向?yàn)轫樅酉?,X方向?yàn)樗l軸線方向。

        2.3閘室動(dòng)力響應(yīng)分析

        2.3.1中墩動(dòng)力響應(yīng)

        由于中墩剛度很大,故在地震作用下基本保持整體運(yùn)動(dòng),其最大相對(duì)位移為0.067mm。中墩最大水平向加速度時(shí)程約為1.3m/s2,各點(diǎn)趨勢(shì)基本相同。根據(jù)計(jì)算結(jié)果,中墩的最大壓力約為719kPa,最大拉應(yīng)力約為332kPa,未超過(guò)混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,強(qiáng)度滿足要求。

        2.3.2排架動(dòng)力響應(yīng)

        由于排架在豎直方向上為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu),在8度地震作用下,其在順河向(Y)產(chǎn)生了約3mm的絕對(duì)變形,橫河向(X)產(chǎn)生了0.66mm的變形,豎直向產(chǎn)生了1.1mm的變形。排架位移自下而上依次是逐步增加的,表明排架的位移放大效應(yīng)較為明顯,是受地震影響較為強(qiáng)烈的部位。

        根據(jù)計(jì)算結(jié)果,在8度地震作用下,順河向排架的最大加速度為3.07m/s2。排架不同位置處的加速度時(shí)程也是有明顯區(qū)別的,從排擠底部到排架頂部加速度時(shí)程峰值是不斷增加的。與排架底部相比,中部的質(zhì)點(diǎn)加速度幅值提高約50%,而排架頂部點(diǎn)則增加120%左右。

        在整個(gè)地震作用過(guò)程中,排架內(nèi)的最大壓應(yīng)力約為7.05MPa,拉應(yīng)力則在1.4MPa內(nèi)波動(dòng),未超過(guò)規(guī)范設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

        2.3.3閘機(jī)房動(dòng)力響應(yīng)

        與排架底部相比,閘機(jī)房的動(dòng)力放大效應(yīng)可放大3.0倍以上,但整體加速度比較均勻,水平向峰值加速度約為3.7m/s2。

        閘機(jī)房最大主應(yīng)力時(shí)程顯示最大動(dòng)壓應(yīng)力可達(dá)3.07MPa,最大拉應(yīng)力可達(dá)1.92MPa,不能排除地震時(shí)局部位置出現(xiàn)裂隙擴(kuò)展的可能性。

        2.3.4 基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)

        在地震作用下基礎(chǔ)上各點(diǎn)的加速度時(shí)程、位移時(shí)程等基本都是一致的,這說(shuō)明基礎(chǔ)受動(dòng)力影響不大。基礎(chǔ)內(nèi)出現(xiàn)的最大主壓應(yīng)力在0.52MPa左右,最大拉應(yīng)力不超過(guò)0.1MPa,小于基礎(chǔ)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度,不會(huì)出現(xiàn)大量塑性區(qū)。

        2.4 閘室動(dòng)力反應(yīng)譜分析

        根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203-1997),采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析。

        2.4.1 計(jì)算模型

        計(jì)算模型采用上述三維計(jì)算模型,先進(jìn)行自振頻率的計(jì)算,然后再進(jìn)行規(guī)范反應(yīng)譜的分析,反應(yīng)譜如圖3所示。

        非線性動(dòng)力有限元仿真分析軟件ADINA中對(duì)結(jié)構(gòu)的自振頻率和振動(dòng)模態(tài)的計(jì)算公式為:

        2.4.2 計(jì)算結(jié)果分析

        為提高計(jì)算的精度,并充分考慮本水閘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),本次計(jì)算中考慮了前10階振型的影響,水閘阻尼為5%。表2為水閘前10階振型的自振頻率。

        由于各振型頻率相差較大,故采用平方和方根法(SRSS)進(jìn)行水平向和豎向地震作用效應(yīng)分析。

        從振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果中同樣可以看出,對(duì)于各構(gòu)件而言,在地震作用下,基礎(chǔ)與中墩的動(dòng)力影響相對(duì)比較小,而排架與閘機(jī)房的動(dòng)力響應(yīng)比較明顯,動(dòng)力放大作用明顯,其在地震荷載作用下是水閘結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。從應(yīng)力角度來(lái)看,水閘結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值出現(xiàn)在排架上,約為7.28MPa,小于混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,強(qiáng)度滿足要求。

        2.5 閘室整體穩(wěn)定分析

        采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行閘室整體穩(wěn)定分析基本原理,就是將閘室與地基接觸面的材料強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減,同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F,得到一組新的強(qiáng)度參數(shù)值,然后輸入折減后的強(qiáng)度參數(shù),再進(jìn)行試算,直至達(dá)到極限平衡狀態(tài)(發(fā)生剪切破壞),此時(shí)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)F即為最小安全系數(shù)。本次計(jì)算中采用的破壞標(biāo)準(zhǔn)是:根據(jù)計(jì)算域內(nèi)某一部位的位移與折減系數(shù)之間關(guān)系曲線的變化特征確定失穩(wěn)狀態(tài),如當(dāng)折減系數(shù)增大到某一特定值時(shí),某一部位的位移突然增大,則認(rèn)為閘室發(fā)生失穩(wěn)。

        由強(qiáng)度折減系數(shù)與閘底相對(duì)位移之間的關(guān)系曲線圖4可以看出,隨著閘室與地基接觸面材料強(qiáng)度參數(shù)的折減,閘底相對(duì)位移是逐漸增大的,強(qiáng)度折減較小時(shí)位移增大程度較小,當(dāng)折減系數(shù)減小至0.286左右時(shí),閘底相對(duì)位移迅速增大,從曲線上將出現(xiàn)了陡降,表明在此之前閘室仍處于穩(wěn)定狀態(tài),超過(guò)之后閘室將出現(xiàn)整體滑動(dòng)。因此,本次計(jì)算中得到的閘室整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.5。

        3 、主要研究結(jié)論

        分別采用三維有限元?jiǎng)恿r(shí)程法和振型分解反應(yīng)譜法,對(duì)土山閘閘室進(jìn)行了8度烈度地震作用下動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果表明:閘室基礎(chǔ)與中墩整體性較好,動(dòng)力響應(yīng)較小,排架和上部閘機(jī)房是地震影響較為強(qiáng)烈的部位,地震作用下整體結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在排架上,約為7.28MPa,小于混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值,結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

        采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)閘室整體穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析,計(jì)算結(jié)果表明在8度烈度地震作用下,閘室整體是穩(wěn)定的,其安全系數(shù)為3.5,滿足設(shè)計(jì)要求。

        參考文獻(xiàn):

        [1]中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).SL203-97水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范.北京:中國(guó)水利水電出版社,1997.

        [2]中華人民共和國(guó)水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn).SL265-2016水閘設(shè)計(jì)規(guī)范.北京:中國(guó)水利水電出版社,2016.

        [3]朱伯芳.有限元法原理與應(yīng)用.第三版.北京:中國(guó)水利水電出版社,1998.

        [4]山東省郯城縣土山攔河閘除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告.審定本.臨沂市:山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院,2014.

        作者簡(jiǎn)介:劉剛 男 1964.2 大學(xué) 漢族 山東青州人 高級(jí)工程師 水工設(shè)計(jì) 山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.

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