李 偉

(新疆水利水電勘察設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

地震是一種巨大的自然災(zāi)害，在我國南水北調(diào)工程中，東、中和西3 線均有規(guī)劃通過峰值加速度0.2 g以上的高地震烈度區(qū)。隨著水利工程快速發(fā)展，越來越多的大型水工建筑物不可避免地修建在地震多發(fā)區(qū)[1]。大跨度渡槽由于槽體內(nèi)存在大量水體，槽墩或排架上部結(jié)構(gòu)重量將遠(yuǎn)大于一般橋梁上部結(jié)構(gòu)重量，形成“頭重”、“腳輕”、“身柔”的特點(diǎn)[2]，因此渡槽結(jié)構(gòu)頂部的大質(zhì)量水體對(duì)結(jié)構(gòu)抗震十分不利。在地震作用下，水與槽體之間的動(dòng)力相互作用會(huì)使渡槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生劇烈的振動(dòng)[3]，當(dāng)場(chǎng)地固有頻率與結(jié)構(gòu)振動(dòng)頻率一致時(shí)就會(huì)發(fā)生共振，從而加速結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞[4]。一般多采用Housner 水體模型簡化處理[1]，Housner借助于流體力學(xué)的勢(shì)流理論及單寬矩形截面儲(chǔ)液槽運(yùn)動(dòng)時(shí)液體運(yùn)動(dòng)的物理直觀現(xiàn)象，提出采用彈簧質(zhì)量系統(tǒng)來近似計(jì)算復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)液體對(duì)固體產(chǎn)生的脈沖壓力和對(duì)流壓力，該模型簡單易行，被廣泛應(yīng)用。因此，本文通過Housner模型進(jìn)行等效模擬槽內(nèi)水體[4]。

1 工程概況

工程位于新疆疏附縣某南干渠跨河處，為新疆喀什噶爾灌區(qū)續(xù)建配套與節(jié)水改造工程的一部分。渡槽建筑物級(jí)別為3級(jí)，工程區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度，主要建筑物抗震設(shè)計(jì)烈度為Ⅷ度，地震動(dòng)峰值加速度為0.3 g。本工程基礎(chǔ)洪水標(biāo)準(zhǔn)按30年一遇(P=3.33%)設(shè)計(jì)，100年一遇(P=1%)校核，導(dǎo)流標(biāo)準(zhǔn)為P=10%～20%。根據(jù)灌區(qū)需要，渡槽設(shè)計(jì)過流流量87.0 m3/s，加大過流流量為100.0 m3/s，采用兩孔矩形斷面，單孔寬5.5 m，i=1/550，設(shè)計(jì)槽底以上水深2.18 m，加大流量槽底以上水深為2.63 m，槽身采用全封閉結(jié)構(gòu)，槽內(nèi)水面以上凈空取0.4 m。渡槽總長度740 m，兩邊跨均為10 m，24中跨均為30 m，共計(jì)26跨，采用鉛芯橡膠支座隔震減震，每跨兩端分別設(shè)置4只鉛芯隔震橡膠支座，槽身底板中部附近布置2只，兩側(cè)墻底部各1只。主要由進(jìn)口漸變段、連接段、槽身段、渡槽下部排架柱結(jié)構(gòu)、渡槽基礎(chǔ)、出口漸變段及消力池等建筑物組成。渡槽三維視圖見圖1。

圖1 跨河渡槽三維視圖

本渡槽地處高地震烈度區(qū)，且具有跨度大、過流量大的特點(diǎn)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮地震作用下，槽身和水體共同振動(dòng)時(shí)帶來的危害[5]。因此，研究渡槽在不同工況地震作用下的共振特性顯得尤為重要。

2 計(jì)算模型

2.1 模型簡介

根據(jù)渡槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用簡支梁結(jié)構(gòu)，各跨渡槽之間采用柔性連接，為簡化模型，取兩跨典型斷面進(jìn)行ANSYS有限元計(jì)算?；炷敛捎肧OLID65體單元建模，鉛芯橡膠支座采用Combine14單元建模。渡槽支座的等效水平剛度2.6e6 N/m，阻尼比0.193；豎向等效剛度2.06e9 N/m，阻尼比0.05。分析模型取30 m跨度、排架高度10.7 m的兩跨結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震荷載作用下的時(shí)程響應(yīng)計(jì)算分析，其有限元網(wǎng)格模型見圖2。

圖2 渡槽有限元網(wǎng)格模型

2.2 地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜及地震加速度時(shí)程曲線

根據(jù)1/400萬《中國地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)，工程區(qū)50年超越概率10%的地震動(dòng)峰值加速度為0.3 g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅷ度。根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB35047-2015)，場(chǎng)地特征周期為0.45 s，采用時(shí)程分析法計(jì)算地震作用效應(yīng)時(shí)，阻尼比取為5%，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的代表值βmax取為2.50。

地震加速度時(shí)程曲線通過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜合成，阻尼比取0.05，超越概率為10%，峰值加速度為0.3 g，時(shí)長為30 s，共生成3條加速度時(shí)程曲線，3組加速度向量之間相關(guān)系數(shù)均小于0.1。地震設(shè)計(jì)反應(yīng)譜見圖3，加速度時(shí)程曲線見圖4。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

圖4 人工地震波加速度時(shí)程曲線

3 共振特性計(jì)算

主要對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)在完建期、最高水位和設(shè)計(jì)水位3種工況下的共振特性進(jìn)行分析計(jì)算。

3.1 完建期渡槽有限元共振特性分析

完建期渡槽內(nèi)無水，僅按空渡槽有限元模態(tài)計(jì)算，得到結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性，取結(jié)構(gòu)體系前3階自振頻率，計(jì)算結(jié)果見表1。

表1 空槽結(jié)構(gòu)體系前3階自振頻率計(jì)算結(jié)果 /Hz

整個(gè)體系的基本頻率是0.556 Hz，模態(tài)振型為順槽向剛體模態(tài)；體系的第2階頻率為0.628 Hz，模態(tài)是橫槽向剛體模態(tài)。根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(NB35047-2015)，場(chǎng)地特征周期為0.45 s，該體系的基本周期、2階周期分別為1.798和1.592 s。特征周期分別是基本周期、2階周期的0.25倍和0.28倍，不在0.75～1.25共振區(qū)范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生共振。

3.2 最高水位渡槽有限元共振特性分析

渡槽最高水位時(shí)，結(jié)構(gòu)+水體體系的振動(dòng)特性采用Housner模型模擬水體，最高設(shè)計(jì)水位為2.63 m，采用一階振動(dòng)等效模擬，計(jì)算參數(shù)見表2，槽內(nèi)水體等效機(jī)械模型見圖5。

表2 最高水位下單位長度水體等效參數(shù)

圖5 槽內(nèi)水體等效機(jī)械模型

根據(jù)最高水位下渡槽有限元模態(tài)計(jì)算分析，得到結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性，由于水體等效模型的低階模態(tài)影響，計(jì)算結(jié)構(gòu)體系整體前3階自振頻率計(jì)算結(jié)果見表3。

最高水位時(shí)整個(gè)體系的基本頻率是0.411 Hz，模態(tài)振型為橫槽向剛體模態(tài)；體系的第2階頻率為0.556 Hz，模態(tài)是順槽向剛體模態(tài)?？梢钥闯?，槽內(nèi)水體附加質(zhì)量的影響對(duì)橫槽向模態(tài)影響較大，對(duì)順槽向附加質(zhì)量的影響較小，使得附加水體質(zhì)量后，一階模態(tài)為橫槽向剛體模態(tài)。由于順槽向振動(dòng)時(shí)，槽內(nèi)水體慣性質(zhì)量對(duì)槽體的影響較小，計(jì)算結(jié)論與實(shí)際較為吻合。

表3 最高水位下槽結(jié)構(gòu)體系前3階自振頻率計(jì)算結(jié)果 /Hz

建筑場(chǎng)地特征周期為0.45 s，該體系的基本周期、2階周期分別為2.43 s和1.80 s。特征周期分別是最高水位時(shí)整體基本周期、2階周期的0.18倍和0.25倍，不在0.75～1.25共振區(qū)范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生共振。

3.3 設(shè)計(jì)運(yùn)行水位渡槽有限元共振特性分析

渡槽設(shè)計(jì)運(yùn)行水位時(shí)，結(jié)構(gòu)+水體體系的振動(dòng)特性采用Housner模型模擬水體，設(shè)計(jì)運(yùn)行水位為2.47 m，采用一階振動(dòng)等效模擬，計(jì)算參數(shù)見表4。

表4 設(shè)計(jì)運(yùn)行水位下單位長度水體等效參數(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)運(yùn)行水位下渡槽有限元模態(tài)計(jì)算分析，得到結(jié)構(gòu)體系的動(dòng)力特性，由于水體等效模型的低階模態(tài)影響，計(jì)算結(jié)構(gòu)體系整體前3階自振頻率，計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 設(shè)計(jì)運(yùn)行水位下槽結(jié)構(gòu)體系前3階自振頻率計(jì)算結(jié)果 /Hz

設(shè)計(jì)運(yùn)行水位時(shí)整個(gè)體系的基本頻率是0.412 Hz，模態(tài)振型為橫槽向剛體模態(tài)；體系的第2階頻率為0.556 Hz，模態(tài)是順槽向剛體模態(tài)。建筑場(chǎng)地特征周期為0.45 s，該體系的基本周期、2階周期分別為2.43和1.80 s。特征周期分別是最高水位時(shí)整體基本周期、2階周期的0.18倍和0.25倍，不在0.75～1.25共振區(qū)范圍內(nèi)，不會(huì)發(fā)生共振。

4 結(jié) 論

在高地震烈度區(qū)，具有大跨度、大過流量的渡槽應(yīng)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮地震作用下，槽身和水體共同振動(dòng)時(shí)帶來的危害。本文依據(jù)Housner理論，通過有限元軟件建立渡槽結(jié)構(gòu)三維模型，分析不同工況下渡槽整個(gè)體系的自振周期，避免與場(chǎng)地特征周期接近引發(fā)共振，對(duì)類似工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有借鑒意義。