楊梅

(新疆建源工程有限公司，烏魯木齊，830000)

閘墩是低水頭的擋水兼泄水建筑物，地震作用容易造成閘墩開(kāi)裂甚至倒塌，閘墩布置結(jié)構(gòu)表明，閘墩體型、截面、工況、荷載、邊界條件都比較復(fù)雜[1]，傳統(tǒng)彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)等方法無(wú)法解決以上各種因素對(duì)重力壩閘墩結(jié)構(gòu)安全的影響，因此，在地震作用下的結(jié)構(gòu)有限元分析尤為重要[2]。閘墩分縫通常在分析中由于復(fù)雜會(huì)被忽略，通常是將閘墩認(rèn)為是一個(gè)整體考慮，計(jì)算時(shí)將分縫設(shè)在堰頂，但這和實(shí)際情況會(huì)存在誤差[3]。它忽略了閘墩與閘墩在地震反應(yīng)下的互相作用，也就是在地震作用下，當(dāng)一側(cè)閘墩發(fā)生振動(dòng)時(shí)，另一側(cè)的閘墩會(huì)對(duì)它有阻礙或者幫助作用[4]。本文以某水電站實(shí)際工程為例，對(duì)此展開(kāi)分析研究。

1 工程簡(jiǎn)介

某水電站工程樞紐主要由面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪洞和右岸地下電站廠房組成，以發(fā)電為主。水庫(kù)總庫(kù)容15.02億m3，最大壩高211m，裝機(jī)容量2200MW(4臺(tái)520MW+1臺(tái)120MW)，根據(jù)GB 50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》以及DL 5180-2003《水電樞紐工程等級(jí)劃分及設(shè)計(jì)安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，工程規(guī)模為I等大(1)型工程。擋水、泄水及引水發(fā)電等主要建筑物工程級(jí)別為1級(jí)，下游消能防護(hù)及永久性次要建筑物為3級(jí)。

2 計(jì)算模型

2.1 分析區(qū)域

考慮溢洪道堰閘段與地基的動(dòng)力相互作用對(duì)上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析有一定影響，在地震反應(yīng)分析中，以無(wú)質(zhì)量地基底部均勻輸入的方式考慮地基與上部結(jié)構(gòu)的動(dòng)力相互作用和地震動(dòng)的輸入。因此，在建立有限元模型時(shí)，溢洪道堰閘段計(jì)算基礎(chǔ)深度取1倍閘墩高度(45m)，上、下游基礎(chǔ)長(zhǎng)度分別取堰閘段順?biāo)鏖L(zhǎng)度的1倍(各取50m)，左右兩側(cè)基礎(chǔ)長(zhǎng)度分別取單孔堰閘段寬度的1倍(16m)，閘墩接觸距離為0，以反映地基剛度對(duì)溢洪道堰閘段動(dòng)力特性的顯著影響。

表1 材料重度

表2 混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度

表3 混凝土彈性模量

溢洪道堰閘段堰面2m厚混凝土及閘墩混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C30，堰面2m以下混凝土強(qiáng)度等級(jí)取C20。

2.2 網(wǎng)格劃分

模型采用ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)該水電站溢洪道堰閘段進(jìn)行靜、動(dòng)力分析。溢洪道堰閘段中墩有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示，采用三維空間實(shí)體模型SOLID45和SOLID73對(duì)模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為10721，節(jié)點(diǎn)數(shù)為10678。有限元分析模型中坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，選取的坐標(biāo)方向如圖1所示：X正方向?yàn)轫標(biāo)鞣较?；Y正方向豎直指向閘墩頂部方向；Z正方形為垂直水流方向。閘墩、壩基及圍巖模型如圖1和2所示。

圖1 整體模型單元

圖2 閘墩模型單元

閘墩分縫模型分別考慮了相鄰閘墩無(wú)寬度、寬度為0.05m、分縫中添加橡膠填充物以及相鄰閘墩不計(jì)相互影響等幾種工況。

2.3 時(shí)程分析計(jì)算方案

本文采用人工合成地震波，設(shè)計(jì)地震波三條，分別為X方向、Y方向和Z方向；校核地震波三條，分別為X方向(順?biāo)鞣较?、Z方向(橫河向)和Y方向(豎直方向)。時(shí)程分析包括以下幾種方案。

表4 計(jì)算方案

采用固定邊界，從X方向(順河向)、Y方向(垂直水流河向)和Z方向(豎直方向)分別輸入100年超越概率2%的人工合成地震波進(jìn)行計(jì)算。

2.4 接觸的設(shè)定

在計(jì)算過(guò)程中接觸面可能出現(xiàn)張開(kāi)、閉合(可能會(huì)有嵌入)和滑移三種狀態(tài)。嵌入值一般很小，在分析結(jié)果時(shí)將其忽略。第一個(gè)分析步：對(duì)整個(gè)系統(tǒng)施加自重與荷載，計(jì)算并提取整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生的位移，將此位移作為下一步的初始條件，并且在0至20s維持整個(gè)模型荷載不變，以防止瞬時(shí)加載產(chǎn)生的激蕩作用。第二個(gè)分析步：加載地震波。

3 閘墩時(shí)程分析

3.1 閘墩有分縫，考慮閘墩相互作用的時(shí)程分析

對(duì)分縫無(wú)寬度并考慮閘墩相互作用情況下進(jìn)行時(shí)程分析，并和閘墩為一個(gè)整體時(shí)無(wú)分縫無(wú)接觸情況下進(jìn)行對(duì)比。對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行時(shí)程分析計(jì)算，需要對(duì)閘墩關(guān)鍵部位進(jìn)行分析說(shuō)明，為了便于對(duì)比，閘墩位移取圖3所示關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)分析位移隨時(shí)間變化的規(guī)律。計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5、表6。

圖3 閘墩關(guān)鍵點(diǎn)示意

表5 閘墩為整體時(shí)關(guān)鍵點(diǎn)位移極值及出現(xiàn)時(shí)間

表6 分縫無(wú)寬度非線(xiàn)性接觸關(guān)鍵點(diǎn)位移極值及出現(xiàn)時(shí)間

在豎直Y方向，由于自重產(chǎn)生的影響，各點(diǎn)都有所沉降。在地震荷載作用下，地基對(duì)閘墩有明顯的約束作用，向上的位移并不大，最大位移為2.801cm，并且各點(diǎn)的時(shí)程變化規(guī)律基本一致；垂直水流Z方向，每個(gè)點(diǎn)的正向和負(fù)向位移基本對(duì)稱(chēng)，說(shuō)明在地震的往返作用下，關(guān)鍵點(diǎn)在非線(xiàn)性接觸下往返位移明顯要大于無(wú)接觸情況，這是因?yàn)殚l墩互相摩擦作用對(duì)閘墩的約束明顯要小于無(wú)接觸下的約束作用。

綜上分析得知：閘墩在地震作用下位移隨著高程的增加而增加，在相同高程上的位移上游處的位移略大于下游處。在考慮接觸作用下，兩個(gè)閘墩有明顯的張開(kāi)，但沒(méi)有內(nèi)嵌，而且兩個(gè)閘墩的震動(dòng)幅度基本一致，說(shuō)明考慮接觸非線(xiàn)性以后，并不存在互相碰撞等作用，這些都是以往的線(xiàn)彈性模型所無(wú)法得到的結(jié)論，并且這樣的結(jié)論也更加符合實(shí)際情況。

3.2 計(jì)算結(jié)果總結(jié)

以閘墩有分縫，相鄰兩閘墩沒(méi)有相互作用為分析對(duì)象，列出不同方案下，位移及應(yīng)力的變化率表，見(jiàn)表7、表8。

表7 垂直水流Y方向最大位移具體變化率

表8 垂直水流Z方向最大位移具體變化率

由表7和表8可得，四個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)在Y、Z三個(gè)方向的位移和應(yīng)力變化趨勢(shì)都比較一致。分縫設(shè)在堰頂視閘墩為一個(gè)整體情況下，豎直Y方向和垂直水流Z方向最大位移較閘墩有分縫并不考慮相互作用變化率幅度最大分別為-71.75%、-71.97%，變化率幅度最小分別為-43.96%、-60.25%；當(dāng)閘墩有分縫并不考慮相鄰閘墩在地震荷載作用下的相互作用時(shí)，豎直Y方向最大位移和垂直水流Z方向的最大位移較閘墩有分縫并不考慮相互作用時(shí)變化率幅度最大分別為-29.48%、-34.49%，變化率幅度最小分別為-19.83%、-25.24%；當(dāng)閘墩分縫寬0.05m，并考慮相鄰閘墩在地震荷載作用下的相互作用時(shí)，豎直Y方向和垂直水流Z方向最大位移較閘墩有分縫并不考慮相互作用時(shí)變化率幅度最大分別為-16.93%、-27.60%，變化率幅度最小分別為-5.44%、-14.19%；如果在分縫中添加橡膠填充物時(shí)，豎直Y方向和垂直水流Z方向最大位移較閘墩有分縫并不考慮相互作用時(shí)變化率幅度最大分別為-40.11%、-38.12%，變化率幅度最小分別為-19.68%、-30.51%。

四個(gè)節(jié)點(diǎn)受到的最大應(yīng)力值都在安全范圍之內(nèi)。閘墩為整體時(shí)分縫設(shè)在堰頂、閘墩有分縫無(wú)寬度并考慮相互作用、分縫有寬度并考慮相互作用、分縫填充橡膠這四種情況最大拉應(yīng)力較閘墩有分縫并不考慮相互作用時(shí)在Y方向最大變化幅度分別為-46.93%、-33.63%、-23.73%、-39.91%，在Z方向最大拉應(yīng)力變化幅度分別為-65.85%、-38.65%、-19.83%、-48.36%，Y方向最大壓應(yīng)力變化幅度分別為-50.00%、-34.82%、-14.8%、-39.26%，Z方向最大壓應(yīng)力變化幅度分別為-56.99%、-39.64%、-12.53%、-49.47%。

4 結(jié)論

本文分別對(duì)在地震荷載下閘墩有分縫并考慮相鄰兩閘墩相互作用、閘墩有分縫并不考慮相鄰兩閘墩相互作用、閘墩分縫寬為0.05m并考慮相鄰兩閘墩相互作用、閘墩分縫寬0.05m并在縫中加入橡膠填充物進(jìn)行了動(dòng)力時(shí)程分析，并和以往閘墩有分縫并不考慮相互作用時(shí)的地震反應(yīng)做了對(duì)比研究。結(jié)果表明，不論是哪種情況下，閘墩的應(yīng)力和位移都較閘墩有分縫并不考慮相互作用有所減小。當(dāng)閘墩為一個(gè)整體即分縫設(shè)在堰頂時(shí)應(yīng)力和位移減小的最大；當(dāng)在分縫設(shè)在閘墩上，分縫中添加橡膠填充物時(shí)位移和應(yīng)力減小最為顯著，這說(shuō)明了當(dāng)分縫設(shè)在閘墩上時(shí)，在縫中添加橡膠等抗震填充物對(duì)閘墩的抗震性能有明顯的增強(qiáng)，這種措施值得考慮。同時(shí)也表明了，以往只考慮堰頂分縫不考慮閘墩分縫的分析方法還欠妥。