鄒國華,周清勇,萬亮亮

(1.江西省修江水利電力勘察設計有限責任公司鄱陽分公司，江西 鄱陽 333100；2.江西省水利科學院，南昌 330029)

水閘工程是我國河湖防洪體系中的重要組成部分，但因為建設時期的歷史原因和技術條件落后，自然災害的影響以及后期維護不足，大量水閘結構存在各類安全隱患。在2009年的全國大中型水閘專項除險加固規(guī)劃成果中明確指出，當年我國的2 622座大中型水閘中，有184座存在結構抗震能力不滿足規(guī)范要求的情況，能否安全運行關乎當?shù)厝嗣竦纳敭a(chǎn)安全[1]。目前為止全世界僅日本方面對水閘抗震性能開展了系統(tǒng)研究[2-3]，我國多數(shù)水工結構抗震性能分析集中于探索混凝土壩的抗震能力，少數(shù)關于水閘的研究也將重點放在動水-閘門相互作用上，而少有關注水閘結構自身抗震性能[4-8]。因此，有必要對我國處于地震高發(fā)地區(qū)的水閘工程進行結構抗震能力計算。

1 工程概況

某水閘工程主要由閘室、消能設施和兩岸連接段等結構組成，共分3孔，孔口尺寸為12 m×6 m(寬×高)。閘室過流總凈寬為36.0 m，總寬為48.0 m(含右岸刺墻)，順流向全長為48 m。某水閘閘室采用整體式結構，在每個閘孔底板中心線上設結構縫，每個閘室單元呈倒“T”形，橫向寬度為14.0 m，閘室順流向長為25.0 m。閘底板厚為1.5 m，閘墩厚為2.0 m，墩高為16.68 m，胸墻采用板梁式結構，一端與閘墩固結，另一端與閘墩簡支，凈寬為12.0 m，高為6.93 m，板厚為0.25 m，底梁寬為1.20 m(豎向)，高為2.00 m(水平向)，中梁寬為1.10 m，高為1.60 m。閘門采用弧形鋼閘門，半徑為10.0 m，弧形閘門支座牛腿高為2.50 m，寬為2.00 m，厚為1.20 m。在弧形門底坎下游側的閘底板分縫處及防滲鋪蓋的分縫均設有止水，并與弧形門底坎止水相聯(lián)。

根據(jù)實際工程尺寸建立某水閘有限元仿真模型(如圖1所示)，在閘體部分易損區(qū)域將網(wǎng)格做細化處理，并建立薄層單元模擬建基面，地基范圍按不同方向各取1.5倍閘高。模型共有節(jié)點數(shù)為120 768個，單元數(shù)為86 282個，模型全部單元采用八節(jié)點六面體單元，由于水閘結構閘墩上的公路橋、啟閉機房是相對獨立的，與閘墩上的墊座并無一體化的剛性連接，因此，在公路橋與閘墩和啟閉機房與閘墩之間分別設置了薄層單元，體現(xiàn)結構連接處的性能差異。

圖1 某閘壩有限元模型示意

2 計算參數(shù)及仿真理論

2.1 材料參數(shù)

模型按業(yè)主提供的竣工圖紙進行材料分區(qū)，由于缺少材料力學性能參數(shù)的相關資料，本次仿真計算材料參數(shù)按照設計報告結合《水工混凝土結構設計規(guī)范》(SL 191—2008)[9]混凝土標號建議值進行取值(見表1所示)。其中材料動態(tài)參數(shù)在靜態(tài)情況下根據(jù)水工建筑物抗震設計規(guī)范(GB 51247—2018)[10]將彈性模量提升50%，抗壓強度提升10%。

表1 材料參數(shù)

2.2 邊界條件及荷載組合

本次仿真計算在模型水平向施加法向約束，地基底部施加三向約束，潛在張開、滑移塊體部位不施加約束。靜力計算荷載包括結構自重荷載、靜水荷載、揚壓力、土壓力、公路橋荷載和啟閉機荷載，其中，靜水壓力主要為閘前14.28 m校核水位時的水推力，公路橋荷載按《公路橋涵設計通用規(guī)范》(JTGD 60—2015)規(guī)定中二級公路標準進行計算。采用時程法在靜力分析的基礎上進行動力分析，通過廣義Newmark法確定每一時刻壩體與地基的應力分布及變形情況。地震荷載選用Koyna實測波進行計算，按地震動加速度峰值與速度峰值之比A/V可將其分類為高頻波，屬于對結構較為不利的地震荷載，其歸一化的加速度時程曲線如圖2所示，采用固定人工邊界作為地基邊界條件，采用Westgaard附加質量法考慮地震荷載作用下庫水—閘體的動力相互作用。使用超載法將輸入的地震動荷載按比例放大，對某水閘結構的極限抗震能力作出評價。

圖2 Koyna地震波加速度時程曲線示意

2.3 仿真理論及仿真條件

本文采用通過Fortran語言自主研發(fā)的有限元仿真軟件，其損傷計算基于應變等效原理，將復雜的多軸問題轉換為簡單的單軸問題，再通過試驗得出的應力應變?nèi)€計算相應損傷值。根據(jù)混凝土的拉壓異性，本文損傷模型選取過鎮(zhèn)海提出的應力應變?nèi)€[11]，該曲線已得到國內(nèi)外科研工作者的認可，并納入我國混凝土結構設計規(guī)范[12]。

混凝土單軸受拉應力應變曲線表達式如下：

σ=(1-dt)Ecε

(1)

(2)

(3)

式中：

σ——混凝土的應力；

ε——混凝土的應變；

ft,r——混凝土單軸抗拉強度；

εt,r——ft,r對應的應變；

dt——單軸受拉損傷變量；

Ec——混凝土彈性模量；

at——混凝土受拉應力應變曲線軟化段參數(shù)。

混凝土單軸受壓應力應變曲線表達式如下：

σ=(1-dc)Ecε

(4)

(5)

(6)

式中：

fc,r——混凝土單軸抗壓強度；

εc,r——fc,r對應的應變；

dc——單軸受壓損傷變量；

ac——混凝土受壓應力應變曲線軟化段參數(shù)。

3 仿真結果分析

某水閘在校核工況下的靜力仿真結果見圖3，由圖3可見，某水閘閘室結構各向位移均較小，其中受公路橋荷載及自重荷載作用，結構最大位移位于公路橋跨中位置，其豎直向位移為1.67 mm，小于規(guī)范允許擾度值l0/400的35 mm標準。

圖3 某水閘靜力仿真結果示意

閘室結構應力分析如下：受公路橋自重、公路橋荷載以及水荷載的影響，泉港閘交通橋大梁底部中間部位出現(xiàn)了1.32～1.45 MPa的拉應力，超過泉港閘C25混凝土抗拉強度(見表1)，因此，交通橋部位出現(xiàn)多處損傷，但最大損傷值僅為0.11，不會影響結構正常使用；受閘門自重、公路橋荷載以及水荷載的影響，泉港閘牛腿部位出現(xiàn)了0.88～1.12 MPa的拉應力，極小部分區(qū)域超過泉港閘C20混凝土抗拉強度(見表1)，因此，牛腿與閘門連接處出現(xiàn)局部細微損傷，損傷值僅為0.08，不會影響結構正常使用；其余各部位應力均為超過混凝土靜態(tài)抗拉強度。

某水閘在不同放大系數(shù)地震動荷載作用下的損傷破壞情況如圖4所示，由圖4可見：地震動放大系數(shù)的提升對水閘損傷分布及破壞深度的影響十分可觀。如圖4a所示，在原始Koyna波地震荷載作用下，閘室結構大面積出現(xiàn)表層損傷，主要集中在啟閉機房，交通橋和閘墩迎水面底部位置，其中閘墩部位出現(xiàn)損傷主要是由于未考慮地基的非線性特性，在線彈性材料與非線性材料的交界部位出現(xiàn)應力集中；交通橋部位的損傷主要集中在橋墩支座以及大梁底部，在規(guī)范荷載標準下已屬于出現(xiàn)地震后的最不利情況；啟閉機房部位的損傷主要集中于閘墩支座以及啟閉機房側面頂部，閘墩支座處損傷主要是由于啟閉機房的側向剛度遠低于閘墩結構，因此，在震動發(fā)生時將出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)的情況導致該部位出現(xiàn)應力集中，而啟閉機房側面頂部處損傷主要是由于鞭梢效應，該部位出現(xiàn)的動力響應遠大于底部閘墩處。如圖4b所示，當?shù)卣饎臃糯笙禂?shù)為2.5時，原損傷部位的損傷面積明顯擴大，損傷程度進一步加深，同時胸墻與閘墩銜接處也出現(xiàn)局部損傷。如圖4c所示，當?shù)卣饎臃糯笙禂?shù)為2.8時，損傷面積及損傷程度進一步提升，可以初步判斷頂部啟閉機房無法有效運行，達到抗震能力臨界值。

圖4 不同加速度放大系數(shù)下某水閘結構損傷(D≥0.01)分布示意

為進一步驗證某水閘的極限抗震能力，對結構在不同放大系數(shù)地震動荷載作用下時進入深度損傷的區(qū)域進行分析，結構深度破壞情況如圖5所示。如圖5a所示，在原始Koyna波地震荷載作用下，閘室結構進入深度損傷的區(qū)域有限，僅在交通橋大梁底部及啟閉機房部位出現(xiàn)零星深度損傷，不會影響結構正常運行；如圖5b所示，當?shù)卣饎臃糯笙禂?shù)為2.5時，深度損傷部位的損傷面積明顯擴大，變化主要出現(xiàn)在頂部啟閉機房與閘墩銜接部位，此時機房易出現(xiàn)局部開裂現(xiàn)象，但結構整體仍能正常運行；如圖5c所示，當?shù)卣饎臃糯笙禂?shù)為2.8時，深度損傷面積進一步提升，頂部啟閉機房出現(xiàn)損傷貫通區(qū)域從而整體失效，此時已無法有效控制閘門，可以判斷工程無法正常運行，因此，認定2.8倍的Koyna波地震荷載即為某水閘的極限抗震能力。

圖5 不同加速度放大系數(shù)下某水閘結構深度損傷(D≥0.6)分布示意

4 結語

本文通過仿真某水閘靜動態(tài)荷載作用的下的結構響應，分析了其應力分布、結構變形及破壞情況，并在此基礎上從損傷破壞的角度進一步分析了結構在不同放大系數(shù)地震動荷載作用下的工作性態(tài)。

研究表明地震動放大系數(shù)的提升對水閘損傷分布及破壞深度的影響巨大。對于某水閘結構而言，地震易損區(qū)域主要集中在啟閉機房，交通橋和閘墩迎水面底部位置，均屬于可預見的損傷部位，經(jīng)計算最終認為某水閘結構的極限抗震能力為2.8倍的Koyna波地震荷載。地震荷載的隨機性是其最為重要的特性之一，工程隨時面臨著超過抗震設計的荷載考驗，因此研究抗震分析時，應充分了解結構的極限抗震能力，為結構安全運行提供保障。