劉長勇

(新疆水利水電勘測設(shè)計(jì)研究院，烏魯木齊 830000)

1 概 述

結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)主要受地震動(dòng)特性和結(jié)構(gòu)特性的影響。隨著人們對這兩方面認(rèn)知水平的不斷提高，結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法也在不斷進(jìn)步[1]。目前，水閘地震反應(yīng)分析方法主要有擬靜力法、反應(yīng)譜法、時(shí)程分析法、隨機(jī)振動(dòng)理論和結(jié)構(gòu)可靠度理論[2]。ANSYS動(dòng)力分析主要用來分析研究結(jié)構(gòu)在動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)，以確定結(jié)構(gòu)的承載能力和動(dòng)力自振特性等。ANSYS動(dòng)力分析模塊主要包括模態(tài)分析、譜分析、諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)動(dòng)力分析，這些動(dòng)力分析可以解決各類水利工程實(shí)際問題[3]。模態(tài)分析可以確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型。諧響應(yīng)分析可以計(jì)算結(jié)構(gòu)在集中頻率下的響應(yīng)并得到一些響應(yīng)值對頻率的曲線，如分析廠房結(jié)構(gòu)在機(jī)組震動(dòng)下的抗震[4]。譜分析主要用來確定結(jié)構(gòu)對隨機(jī)荷載或隨機(jī)時(shí)間變化荷載的動(dòng)力響應(yīng)情況，如計(jì)算結(jié)構(gòu)在地震作用下的最大響應(yīng)值等[5]。

2 模型建立與工況

2.1 模型建立

采用ANSYS程序建立水閘整體有限元計(jì)算模型，考慮閘墩、底板與地基的相互作用。取3孔一聯(lián)和一定范圍的地基(水閘閘室的上下游和深度方向均取一倍閘室高度Hd=20 m)作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，采用8節(jié)點(diǎn)等參單元進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分。在地基底面加固定約束，側(cè)面加法向約束。閘室加固前后的整體有限元模型見圖1。

圖1 整體有限元模型

其中，坐標(biāo)系的0點(diǎn)設(shè)在模型中心線的底板頂面上游端，X軸沿順河流方向指向下游，Y軸沿橫河向指向左岸，Z軸沿鉛直方向指向上方。計(jì)算中，對閘室及地基按線彈性材料進(jìn)行模擬，未考慮結(jié)構(gòu)的塑性特性。結(jié)構(gòu)總的地震作用效應(yīng)同時(shí)計(jì)入橫河向、順河向和豎向地震作用，將豎向地震作用效應(yīng)乘以0.5的耦合系數(shù)后與水平向地震作用效應(yīng)(橫河向地震作用效應(yīng)與順河向地震作用效應(yīng)平方和的方根值)直接相加。動(dòng)力計(jì)算考慮前20階振型。

2.2 材料特性

該水閘閘室除公路橋混凝土強(qiáng)度等級采用C30外，其它結(jié)構(gòu)的混凝土強(qiáng)度等級均采用C25，具體力學(xué)參數(shù)見表1。閘室地基土物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表1 混凝土參數(shù)表

表2 閘室地基土物理力學(xué)指標(biāo)表

2.3 計(jì)算參數(shù)與方案

該水閘工程按8度設(shè)防，水閘的地震加速度a=0.3 g，反應(yīng)周期Tg=0.35 s，水閘的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大代表值βmax=2.25,阻尼比ξ=0.05。該水閘的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜見圖2。加固后閘室結(jié)構(gòu)中，其上游工作便橋、胸墻、下游公路橋均采用固接形式。

圖2 水閘設(shè)計(jì)反應(yīng)譜

3 閘室加固后計(jì)算結(jié)果及分析

3.1 正常工況

閘室加固后正常工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 加固后正常工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

續(xù)表3

由表3可知，排架的最大主拉應(yīng)力為0.51 MPa，出現(xiàn)在排架頂部，最大主壓應(yīng)力-1.29 MPa，出現(xiàn)在排架根部。便橋的最大主拉應(yīng)力為2.10 MPa，出現(xiàn)在橋面與中墩連接部位附近(由固端彎矩產(chǎn)生)，該部位需要配筋；最大主壓應(yīng)力-2.83 MPa，出現(xiàn)在橋底閘墩兩側(cè)。公路橋的最大主拉應(yīng)力為2.18 MPa，出現(xiàn)在橋面與中墩連接部位附近(由固端彎矩產(chǎn)生)，該部位需要配筋；最大主壓應(yīng)力-2.56 MPa，出現(xiàn)在橋底閘墩兩側(cè)。閘墩的最大主拉應(yīng)力為1.51 MPa，出現(xiàn)在檢修門槽上游閘墩內(nèi)側(cè)底部，該部位需要配筋；最大主壓應(yīng)力-5.58 MPa，出現(xiàn)在閘墩根部下游側(cè)。胸墻的最大主拉應(yīng)力為2.15 MPa，出現(xiàn)在邊孔胸墻靠近中墩的下游底部尖角處(由固端彎矩產(chǎn)生)，該部位需要配筋；最大主壓應(yīng)力-1.90 MPa，出現(xiàn)在中孔胸墻上游底部尖角。牛腿的最大主拉應(yīng)力為1.06 MPa，出現(xiàn)在牛腿上游底部外側(cè)尖角處；最大主壓應(yīng)力-3 MPa，出現(xiàn)在牛腿弧門鉸支座處。底板的最大主拉應(yīng)力為3.14 MPa，主要是由靜水壓力引起，出現(xiàn)在底板上游側(cè)與地基接觸的兩個(gè)尖角應(yīng)力集中處，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-14.71 MPa，主要是由于自重引起，出現(xiàn)在底板上游側(cè)與地基接觸的兩個(gè)尖角應(yīng)力集中處，需要配筋。

3.2 檢修工況

檢修工況為中孔檢修，邊孔擋水。閘室加固后檢修工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表4。

表4 加固后檢修工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

由表4可知，排架的最大主拉應(yīng)力為0.48 MPa，出現(xiàn)在邊墩排架頂部；最大主壓應(yīng)力-1.21 MPa，出現(xiàn)在排架頂部上游側(cè)。便橋的最大主拉應(yīng)力為1.95 MPa，出現(xiàn)在橋面與中墩連接部位兩側(cè)(由固端彎矩產(chǎn)生)，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-2.56 MPa，出現(xiàn)在橋底中墩兩側(cè)。公路橋的最大主拉應(yīng)力為2.32 MPa，出現(xiàn)在橋面與中墩連接部位附近，主要是由于固端彎矩產(chǎn)生，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-2.78 MPa，出現(xiàn)在橋底中墩兩側(cè)。閘墩的最大主拉應(yīng)力為1.14 MPa，出現(xiàn)在邊墩公路橋附近；最大主壓應(yīng)力-4.82 MPa，出現(xiàn)在中墩根部下游側(cè)。胸墻的最大主拉應(yīng)力為1.61 MPa，出現(xiàn)在邊孔胸墻靠近邊墩的上游側(cè)底部尖角處，是由于固端彎矩產(chǎn)生的，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-1.99 MPa，出現(xiàn)在中孔胸墻底部上游尖角。牛腿的最大主拉應(yīng)力為1.01 MPa，出現(xiàn)在邊孔牛腿上游底部外側(cè)尖角處；最大主壓應(yīng)力-2.85 MPa，出現(xiàn)在邊孔牛腿弧門鉸支座處。底板的最大主拉應(yīng)力為2.94 MPa(主要由靜水壓力引起)，出現(xiàn)在底板上游側(cè)與地基接觸的兩個(gè)尖角應(yīng)力集中處，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-13.29 MPa(主要由自重引起)，出現(xiàn)在底板上游側(cè)與地基接觸的兩個(gè)尖角應(yīng)力集中處，需要配筋。

3.3 校核工況

閘室加固后校核工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果見表5。

表5 加固后校核工況下應(yīng)力計(jì)算結(jié)果表

由表5可知，排架的最大主拉應(yīng)力為0.43 MPa，出現(xiàn)在邊墩排架頂部，沒有超過混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值1.3 MPa；最大主壓應(yīng)力-1.12 MPa，出現(xiàn)在邊墩排架根部。便橋的最大主拉應(yīng)力為2.05 MPa，出現(xiàn)在橋面與中墩連接部位兩側(cè)(由固端彎矩產(chǎn)生)，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-2.52 MPa，出現(xiàn)在橋底中墩兩側(cè)。公路橋的最大主拉應(yīng)力為1.92 MPa，出現(xiàn)在橋面與中墩連接部位兩側(cè)(由固端彎矩產(chǎn)生)，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-2.28 MPa，出現(xiàn)在橋底中墩兩側(cè)。閘墩的最大主拉應(yīng)力為4.67 MPa，出現(xiàn)在邊墩根部上游側(cè)，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-4.95 MPa，出現(xiàn)在邊墩根部上游側(cè)。胸墻的最大主拉應(yīng)力為6.50 MPa，出現(xiàn)在邊孔胸墻靠近邊墩的上游側(cè)底部尖角處(由固端彎矩產(chǎn)生)，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-5.20 MPa，出現(xiàn)在中孔胸墻底部上游尖角。牛腿的最大主拉應(yīng)力為0.19 MPa，出現(xiàn)在邊墩牛腿下游側(cè)；最大主壓應(yīng)力-1.24 MPa，出現(xiàn)在邊墩牛腿下游底部尖角處。底板的最大主拉應(yīng)力為3.57 MPa(主要由靜水壓力引起)，出現(xiàn)在底板上游側(cè)與地基接觸的兩個(gè)尖角應(yīng)力集中處，需要配筋；最大主壓應(yīng)力-12.41 MPa(主要由自重引起)，出現(xiàn)在底板上游側(cè)與地基接觸的兩個(gè)尖角應(yīng)力集中處，需要配筋。

4 結(jié) 論

本文結(jié)合某水閘實(shí)際加固工程，建立三維有限元模型，對閘室整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜動(dòng)力分析。由對比分析閘室加固前后的抗震動(dòng)力計(jì)算結(jié)果可知，閘室加固后，由于閘室整體剛度的加強(qiáng)，閘墩主拉應(yīng)力最大值有較大的降低，閘墩根部超過混凝土抗拉強(qiáng)度的范圍有明顯減少，說明閘墩間增加剛性連系是增強(qiáng)閘室抗震能力的有效措施。