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        某大型泵站樞紐結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力分析

        2021-04-06 05:30:50明,張衛(wèi)云,段衛(wèi)
        四川水力發(fā)電 2021年1期
        關(guān)鍵詞:泵站效應(yīng)結(jié)構(gòu)

        汪 明,張 衛(wèi) 云,段 衛(wèi) 通

        (1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局,四川 彭山 620860;2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司,江蘇 南京 210022)

        1 概 述

        目前所建設(shè)的大型泵站多采用下部封閉圈層、上部排架廠房、前部蓄水池、后部排水設(shè)施的方式進(jìn)行布置,形成集灌溉、防洪、引水、排澇于一體的綜合水利樞紐,但在其調(diào)度運(yùn)行過程中,一旦出現(xiàn)調(diào)度險(xiǎn)情,這些結(jié)構(gòu)將面臨靜、動(dòng)力雙重?fù)p傷、損壞以及遭受破壞的風(fēng)險(xiǎn),為水工建筑物的安全服役埋下了重大隱患[1]。為此,急需開展八度烈度地震區(qū)大型泵站樞紐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力服役性能分析以獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)力方面的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo),達(dá)到精確、高效評(píng)估該類樞紐結(jié)構(gòu)安全性能的目的。某大型泵站樞紐工程等別為Ⅱ等大(2)型,主要建筑物級(jí)別為2級(jí),所在地區(qū)地震基本烈度為八度。泵房封閉圈底平面尺寸為74.1 m×18.5 m,立墻高12.3 m,上部廠房跨度為18.5 m,長(zhǎng)76.1 m,立墻高11.65 m,桁車設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為32 t。該工程設(shè)有C20混凝土墊層,其余建筑物均采用C40鋼筋混凝土,桁車梁采用Q235鋼板材。

        根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51247-2018)[2]與《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50265-2010)[3]的要求,工程中常采用擬靜力法和動(dòng)力法進(jìn)行抗震動(dòng)力分析[4]。筆者通過建立考慮地基-基礎(chǔ)-填土-結(jié)構(gòu)-荷載相互作用的泵站樞紐整體有限元模型開展了八度地震區(qū)抗震動(dòng)力研究。

        2 模型的建立

        計(jì)算模型的邊界條件為:(1)基礎(chǔ)部分向進(jìn)水方向延長(zhǎng)19 m,向出水方向延長(zhǎng)30.4 m,模型左側(cè)向外取23.6 m,模型右側(cè)向外取26.1 m,左側(cè)、右側(cè)、出水側(cè)地面部分寬度各取5 m,垂直向各呈1∶1.5的坡度;(2)后填土部分向進(jìn)水方向延長(zhǎng)14 m,向出水方向延長(zhǎng)25.4 m,模型左側(cè)向外取18.6 m,模型右側(cè)向外取21.1 m,左側(cè)、右側(cè)、進(jìn)水、出水側(cè)地面部分寬度分別取18.6 m、21.1 m、14 m、25.4 m,垂直向各呈1∶1.5的坡度,與基礎(chǔ)相匹配。(3)進(jìn)水前池部分向進(jìn)水方向延長(zhǎng)7.5 m,分別由5條豎向隔板和左邊墩、右邊墩組成;(4)泵房封閉圈結(jié)構(gòu)分為三段,自左向右分別編號(hào)為Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段。

        采用有限元分析平臺(tái)對(duì)泵站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化,其三維模型見圖1(a),三維網(wǎng)格模型見圖1(b)。其中,混凝土相關(guān)結(jié)構(gòu)采用SOLID65單元,桁車梁采用SHELL63單元,地基與填土均采用SOLID185單元[5],材料參數(shù)見表1。

        (a)三維模型圖

        (b)三維網(wǎng)格模型圖圖1 泵站整體結(jié)構(gòu)分析模型圖

        3 模態(tài)分析

        泵房封閉圈及上部廠房結(jié)構(gòu)自振特性采用子空間迭代法,動(dòng)力分析采用振型分解反應(yīng)譜法,提取前20階振型,各振型之間采用CQC方法組合,即取各階振型地震作用效應(yīng)平方總和的方根作為總地震作用效應(yīng),并計(jì)算其自振頻率以及所對(duì)應(yīng)的各階振型,獲得前6階振型云圖(圖2),前20階自振頻率見表2。

        表1 材料參數(shù)取值表

        (a)第1階振型圖

        (b)第2階振型圖

        (c)第3階振型圖

        (d)第4階振型圖

        (e)第5階振型圖

        (f)第6階振型圖圖2 前六階振型位移云圖

        表2 泵站整體結(jié)構(gòu)自振頻率一覽表

        4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

        依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)[6]和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2016)[7]等要求,對(duì)于該泵站結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用分析時(shí)宜采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜模型,標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線見圖3,并按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算,查詢得到八度烈度地震區(qū)響應(yīng)譜動(dòng)力分析參數(shù)見表3。

        圖3 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線圖

        表3 響應(yīng)譜分析參數(shù)一覽表

        進(jìn)一步借助Visual Basic編程軟件,開發(fā)出計(jì)算與“加速度人工反應(yīng)譜”相關(guān)的頻率和加速度參數(shù)的輸出界面。

        根據(jù)所得相關(guān)動(dòng)力參數(shù),取前20階各個(gè)頻率點(diǎn)帶入“人工反應(yīng)譜參數(shù)計(jì)算程序”計(jì)算加速度-頻率響應(yīng)譜,計(jì)算所得頻率及其對(duì)應(yīng)的加速度見表4。

        表4 加速度-頻率響應(yīng)譜輸入?yún)?shù)表

        4.1 完建蓄水工況動(dòng)力分析

        依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)等規(guī)范及Mises屈服準(zhǔn)則,對(duì)該泵站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完建蓄水工況地震動(dòng)作用分析,得到該有限元分析模型的代表性基礎(chǔ)部分Mises等效應(yīng)力云圖(圖4)及泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移云圖(圖5)。

        圖4 基礎(chǔ)部分Mises等效應(yīng)力云圖

        圖5 泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移云圖

        通過完建蓄水工況計(jì)算,得到該工況下泵站結(jié)構(gòu)的抗震分析結(jié)果:(1)基礎(chǔ)與填土最大等效應(yīng)力為1.5 MPa,應(yīng)力水平小于砂質(zhì)泥巖勘察承載應(yīng)力強(qiáng)度,泵房封閉圈結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)等效應(yīng)力在0.19~0.25 MPa之間,經(jīng)復(fù)核滿足地基設(shè)計(jì)承載要求;(2)泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移在21.5~27.93 mm之間,泵房封閉圈結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.001~2.73 MPa之間,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求;(3)主廠房排架柱結(jié)構(gòu)綜合位移在1.31~7.55 mm之間,主廠房排架柱結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.017~1.69 MPa之間,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

        4.2 運(yùn)行疊加工況動(dòng)力分析

        對(duì)該泵站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行疊加工況地震動(dòng)作用分析,得到該有限元分析模型的代表性基礎(chǔ)部分Mises等效應(yīng)力云圖(圖6)及泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移云圖(圖7)。

        圖6 基礎(chǔ)部分Mises等效應(yīng)力云圖

        通過運(yùn)行疊加工況計(jì)算,得到該工況下泵站結(jié)構(gòu)的抗震分析結(jié)果:(1)基礎(chǔ)與填土最大等效應(yīng)力為1.49 MPa,應(yīng)力水平小于砂質(zhì)泥巖勘察承載應(yīng)力強(qiáng)度,泵房封閉圈結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)等效應(yīng)力在0.2~0.32 MPa之間,經(jīng)復(fù)核滿足地基設(shè)計(jì)承載要求;(2)泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移在21.51~28.76 mm之間,泵房封閉圈結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.013~2.74 MPa之間,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求;(3)主廠房排架柱結(jié)構(gòu)綜合位移在1.31~7.55 mm之間,主廠房排架柱結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.019~1.69 MPa之間,滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

        圖7 泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移云圖

        4.3 對(duì)比分析

        通過對(duì)完建蓄水工況與運(yùn)行疊加工況兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析,形成以下結(jié)論:

        (1)運(yùn)行疊加工況與完建蓄水工況得出的基礎(chǔ)部分位移與應(yīng)力分布規(guī)律一致,泵房封閉圈結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)等效應(yīng)力在0.19~0.32 MPa之間,表明主廠房桁車滿載運(yùn)營(yíng)對(duì)基礎(chǔ)擾動(dòng)影響甚微,地震動(dòng)作用因素起主導(dǎo)作用,兩種工況下基礎(chǔ)均滿足設(shè)計(jì)承載強(qiáng)度要求。

        (2)運(yùn)行疊加工況與完建蓄水工況得出的泵房封閉圈結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力分布規(guī)律一致,兩種工況下泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移均在21.51~28.76 mm之間,主廠房桁車滿載運(yùn)營(yíng)相較于地震動(dòng)作用而言,地震動(dòng)作用因素起主導(dǎo)作用。

        (3)運(yùn)行疊加工況與完建蓄水工況得出的主廠房排架柱結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力分布規(guī)律一致,兩種工況下主廠房排架柱結(jié)構(gòu)綜合位移均在1.31~7.55 mm之間,滿足規(guī)范規(guī)定的側(cè)向位移要求;主廠房排架柱結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.017~1.69 MPa之間,應(yīng)力水平均小于規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力強(qiáng)度,進(jìn)一步表明排架柱結(jié)構(gòu)運(yùn)行服役安全受地震動(dòng)作用影響主導(dǎo)。

        5 結(jié) 語

        鑒于水工結(jié)構(gòu)工程地震響應(yīng)與地震波波頻、傳播方向等有關(guān),不能完全模擬地震波作用過程,因此,筆者根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》與《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范,建立了考慮地基-基礎(chǔ)-填土-結(jié)構(gòu)-荷載相互作用的泵站樞紐整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力數(shù)值分析模型,完成了考慮結(jié)構(gòu)自重、土壓力、靜水壓力、地震動(dòng)水壓力等作用力組合狀態(tài)下的三維結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力性能并得出以下結(jié)論:

        (1)通過模態(tài)分析求得該種泵站樞紐整體結(jié)構(gòu)的前20階自振頻率分布在1.602~3.845 Hz之間。

        (2)基于所開發(fā)的“加速度人工反應(yīng)譜”頻率和加速度參數(shù)輸出界面進(jìn)行的泵站樞紐整體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力分析結(jié)果顯示該類型結(jié)構(gòu)在完建蓄水與運(yùn)行疊加工況下,其進(jìn)水前池、泵房封閉圈、泵站基礎(chǔ)和填土以及上部主廠房等結(jié)構(gòu)均滿足八度地震區(qū)抗震設(shè)計(jì)需要,進(jìn)一步為該泵站技施復(fù)核及后期維護(hù)提供了技術(shù)支撐。

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