孟祥東

（營口海河水利監(jiān)理有限公司，遼寧 營口 115000）

1 工程概況

清原抽水蓄能電站位于遼寧省撫順市清原滿族自治縣北三家鄉(xiāng)境內，屬于Ⅰ等大（1）型水利工程[1]。其上水庫位于清原縣摩離紅三東側摩離紅溝溝首，下水庫位于渾河右岸的支流大沖溝內，電站的輸水系統(tǒng)以及地下廠房系統(tǒng)布置在小石英溝和大石英溝之間的山梁內[2]。清原抽水蓄能電站安裝有6臺單機容量為300 MW 的單機混流可逆式水泵水輪機組，額定水頭高度為390 m，設計裝機容量為1800 MW，年發(fā)電量為30.11 億kW·h，年利用小時數為2231 h。電站的上水庫為混凝土面板堆石壩，設計洪水標準為200 年一遇，校核洪水標準為2000年一遇。上水庫的正常蓄水位為725 m，死水位為695 m，正常蓄水位對應的庫容為1433萬m3[3]。電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的進水塔位于上水庫大壩上游靠近右岸的部位，設計為岸塔式結構，其基建面高程為685 m，塔頂高程為740.5 m，排架頂高程為764.3 m，總塔高為79.3 m。進水塔由底部的塔體和上部排架兩大部分構成，上部排架的高度為24.3 m，排架柱截面為1.2 m×1.2 m，橫梁尺寸為1.5 m×1.2 m；排架的頂層厚度為0.2 m。按照原施工設計，進水塔的塔體和排架均采用C30 混凝土。相對于下部結構，進水塔的上部排架無論是結構質量還是結構剛度均較小，是地震應力作用下最容易遭受破壞的部分[4]。顯然，在排架結構遭受破壞的情況下，進水塔的正常運行乃至電站的整體安全都將受到嚴重威脅，因此其抗震結構設計就顯得尤為重要[5]。基于此，本次研究試圖通過數值模擬的方式，對地震作用下的混凝土排架型鋼截面形式進行優(yōu)選研究，以便為工程設計提供必要的借鑒和支持。

2 有限元計算模型的構建

2.1 模型的構建

ANSYS 有限元軟件是一款大型商用工程仿真設計軟件，具有多種分析功能，推出之后在巖土力學以及結構分析等方面獲得廣泛地應用，同時也取得了良好的模擬研究效果。因此，研究中利用ANSYS有限元軟件進行數值計算模型的構建[6]。

結合相關研究成果和工程實際，進水塔結構的整體模型范圍為基礎的上下游、左右岸以及深度各取1 倍塔高。模型的計算邊界條件為：進水塔的上下游和左右側面按照施加豎向位移條件，模型的底部按照固定邊界條件處理，施加全位移約束，模型的上部為自由邊界條件。為了利于模型的構建，以進水塔的前期設計資料為依據，首先利用CAD軟件建立進水塔的整體幾何模型，然后導入ANSYS有限元軟件進行數值計算模型的構建[7]。幾何模型以垂直于右岸指向左側的方向為X軸正方向，以垂直于X軸指向上游的方向為Y軸的正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。

進水塔的塔體采用六面體實體單元進行網格模型劃分，上部排架結構則采用梁單元進行模擬，啟閉機層以及排架的頂層利用殼單元進行模擬，研究中假定進水塔的混凝土結構為各向同性的均質彈性連續(xù)體[8]。整個模型共劃分為162 555 個網格單元，150 010個計算節(jié)點，模型示意圖如圖1所示。

圖1 進水塔整體有限元模型示意圖

2.2 荷載的施加

在進行進水塔結構計算過程中，計算荷載主要包括自重、水重、靜水壓力、揚壓力、浪壓力、風壓力以及地震作用[9]。其中，模型的地基視為無質量單元，混凝土結構的重度按25.0 kN/m3進行計算；根據進水塔的運行工況，在所有與水接觸的面上全部施加靜水壓力，水的重度取9.8 kN/m3；計算過程中對進水塔結構底面按庫水位施加揚壓力；將浪壓力與進水塔的上游面靜水壓力疊加，施加到上游面；按《水工建筑物荷載設計規(guī)范》（SL744-2016）計算風壓力，并施加到進水塔的水面以上的表面。

地震荷載包括地震慣性力和地震動水壓力。根據壩址區(qū)的地震資料，地震烈度為7度，主要水工建筑設計地震參數水平加速度為113.7 gal，超越概率為10%，特征周期為0.55 s。在施加過程中需要同時計入水平和豎向地震作用，根據《水電工程水工建筑物抗震設計規(guī)范》（NB35047-2015）的規(guī)定，應該分別采用擬靜力法和振型分解反應譜法計算地震作用，并施加于計算模型。在進水塔的動水壓力分析中，僅考慮其慣性作用，而不考慮水體可壓縮性的影響。鑒于動水壓力與水深存在顯著關聯，因此需要結合水深數據編寫不同高程的動水壓力函數，并通過等效面力的方式施加于塔體表面。

2.3 計算方案

在研究中保持7%的配鋼量不變，設計了H型、十字型和方形3種不同的混凝土柱排架型鋼截面形式，并利用數值模擬計算的方式，進行正常蓄水位遭遇地震條件下的動力計算分析，以獲取最優(yōu)的結構設計方案。

3 計算結果與分析

3.1 位移計算結果與分析

在地震作用下，只有進水塔的整體結構不發(fā)生較大的位移變形，才能保證其穩(wěn)定運行。鑒于進水塔上部排架的高度較大，不同高程的位移特征可能有所不同，因此分別選擇排架圈梁第四層（進水塔頂層）、圈梁第三層（啟閉機層以及塔體頂面和排架底面的相交處）、圈梁第一層混凝土柱關鍵節(jié)點的位移最大值，對不同混凝土柱排架型鋼截面形式下的位移特征進行對比分析，且分析僅針對混凝土單元進行，不包括型鋼的應力。利用構建的有限元模型，對不同方案下的型鋼混凝土排架結構位移進行計算，并提取出各向位移的最大值，結果如表1 所示。由表1可知，在3種不同的計算方案下，進水塔的變形主要表現為剪切變形，從而使進水塔上部的排架結構以剛體平動為主，并具有比較顯著的鞭梢效應。隨著進水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈現出增大的趨勢。主要原因是上部排架結構會受到自重作用的顯著影響。另一方面，由于進水塔上部的排架結構在地震應力作用下會受到較大的水平荷載影響，因此X向位移和Y向位移明顯大于Z向位移。因此，需要利用內部型鋼的剛度對排架水平強度需求進行彌補。從3種不同的設計方案位移對比結果來看，H 型結構的位移量最大，十字型結構次之，方形結構的位移量最小。以變形量最大的圈梁第四層來看，采用方形結構形式時的X向、Y向和Z向最大位移量分別為22.2、12.3和3.7 mm，與H 型結構相比分別減小15.9%、12.1%和15.9%；與十字型結構相比分別減小11.2%、8.2%和11.9%。由此可見，進水塔上部混凝土排架型鋼采用方形截面結構更有利于地震條件下的進水塔結構位移控制。

表1 排架關鍵部位位移計算結果 mm

3.2 應力計算結果與分析

在地震作用下，排架結構的上部容易發(fā)生破壞，在圈梁第三層和第一層往往存在較大的應力分布。因此，選擇排架圈梁第四層、圈梁第三層和圈梁第一層混凝土柱關鍵節(jié)點的X向應力（Sx）、Y向應力（Sy）、Z向應力（Sz）、第一主應力（S1）以及第三主應力（S3）進行對比分析。利用構建的模型對不同方案下的結構應力進行計算，結果如表2 所示。由表2可以看出，隨著排架高程的不斷增加，各應力值呈現不斷減小的趨勢。究其原因，主要是排架結構可視為懸臂梁，其剪力和彎矩往往會集中于結構的底部。同時，由于排架的混凝土柱和梁的連接部位拉應力較大，因此在后續(xù)的結構設計中應該加強該部位的配筋。從不同方案的對比來看，應力水平最高的是H 型結構、其次是十字型結構，應力水平最低的是方形結構。以應力水平最高的圈梁第一層為例，方形結構的X向應力、Y向應力、Z向應力、第一主應力以及第三主應力最大值分別為2.41、2.33、7.56、8.10 和10.01 MPa，與H 型結構方案相比分別減小了15.7%、24.4%、19.4%、26.4%和8.67%，與十字型方案相比分別減小了8.71%、6.80%、12.5%、17.8%和3.75%。由此可見，進水塔上部混凝土排架型鋼采用方形截面結構更有利于地震條件下的進水塔結構應力的控制。

表2 排架關鍵部位應力計算結果MPa

4 結論

本文以清原抽水蓄能電站進水塔為例，利用數值模擬的方式進行了地震作用下進水塔上部混凝土排架型鋼截面形式優(yōu)選研究，獲得的主要結論如下：

（1）進水塔的變形主要表現為剪切變形，隨著進水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈現出增大的趨勢。從不同的設計方案位移對比結果來看，H 型結構的位移量最大，十字型結構次之，方形結構的位移量最小。

（2）隨著排架高程的不斷增加，各應力值呈現出不斷減小的趨勢。從不同方案的對比來看，應力水平最高的是H 型結構、其次是十字型結構，應力水平最低的是方形結構。

（3）綜合本文研究成果，方形截面方案的位移量最小，應力水平最低，為最佳設計方案，建議在工程設計中采用。