劉忠干

(廣東省源天工程有限公司，廣州 511340)

1 概述

水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)水平關(guān)乎水利設(shè)施的運(yùn)營(yíng)可靠性，而此安全問(wèn)題不僅僅是靜力場(chǎng)應(yīng)力、位移穩(wěn)定性，同樣也與結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)密切相關(guān)[1-2]，有效結(jié)合靜、動(dòng)力場(chǎng)安全綜合技術(shù)優(yōu)勢(shì)，才更利于水工設(shè)計(jì)優(yōu)化。宋峰[3]、許濤等[4]、李藝等[5]從結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)計(jì)算考慮，采用ANSYS等數(shù)值計(jì)算方法，分析了不同設(shè)計(jì)方案下閘門(mén)、擋墻等水工建筑的應(yīng)力、位移變化特征，由此評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。何志亞等[6-7]、沈衛(wèi)[8]從水工建筑滲流場(chǎng)特征參數(shù)影響效應(yīng)評(píng)價(jià)，利用模型試驗(yàn)方法開(kāi)展了消能池、溢洪道等水利設(shè)施的體型優(yōu)化，豐富了水工設(shè)計(jì)優(yōu)化成果。地震動(dòng)響應(yīng)特征研究可以依賴(lài)于振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)或地震動(dòng)仿真計(jì)算，楊玉生等[9]、馮新等[10]采用前一種試驗(yàn)方法，開(kāi)展了水工設(shè)施的地震動(dòng)響應(yīng)特征分析，有助于揭示結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)機(jī)理。楊庚鑫等[11]、曹洋等[12]采用地震動(dòng)擬靜力法、振型分解或反應(yīng)譜疊加等方法，開(kāi)展了水工結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)響應(yīng)特征分析，有助于探討不同方案下動(dòng)力響應(yīng)特征，推動(dòng)水工設(shè)計(jì)優(yōu)化與地震動(dòng)力響應(yīng)特征的聯(lián)系性。本文根據(jù)擴(kuò)建水利樞紐預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)體系與閘門(mén)鋼梁結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化問(wèn)題，針對(duì)結(jié)構(gòu)拉錨系數(shù)參數(shù)開(kāi)展靜、動(dòng)力場(chǎng)綜合計(jì)算評(píng)價(jià)，為該閘門(mén)鋼結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)提供參考。

2 模擬設(shè)計(jì)分析

2.1 工程概況

北江作為粵北地區(qū)重要地表供水來(lái)源，有效的供水樞紐對(duì)提升地區(qū)用水安全具有重要意義，特別是水工設(shè)施安全運(yùn)營(yíng)與之密切相關(guān)，對(duì)解決地區(qū)水資源分布時(shí)空離散具有重要作用。在北江原水利樞紐基礎(chǔ)上考慮進(jìn)行擴(kuò)建，重點(diǎn)在泄洪閘、溢洪道及輸水灌渠等水利設(shè)施上，計(jì)劃擴(kuò)建后水利樞紐工程可實(shí)現(xiàn)年最大供水量超過(guò)1 200萬(wàn)m3。北江水利樞紐溢洪道位于泄洪閘右壩段，平面布置如圖1所示，整體支撐加固體系采用預(yù)應(yīng)力錨索。根據(jù)工程擴(kuò)建設(shè)計(jì)，計(jì)劃泄洪閘采用多孔式閘門(mén)通流設(shè)計(jì)形態(tài)，其底板厚度為1.2 m，閘室軸線全長(zhǎng)為8 m，單孔凈寬為3.5 m，以弧形鋼閘門(mén)為擋水設(shè)施，根據(jù)設(shè)計(jì)部門(mén)的初步設(shè)計(jì)，其模型如圖2所示，閘門(mén)全面板上最大壓強(qiáng)可支持達(dá) 1.5 MPa。泄洪水閘整體支撐結(jié)構(gòu)為8根預(yù)應(yīng)力混凝土閘墩，墩徑為1.2 m，其立面分布如圖3所示。由于泄洪閘作為該擴(kuò)建水利樞紐的重要水工建筑，特別是其閘門(mén)導(dǎo)流設(shè)施，有效的支撐加固設(shè)計(jì)對(duì)提升整體運(yùn)營(yíng)具有較大幫助，因而工程管理部門(mén)綜合泄洪閘與溢洪道兩水工建筑的預(yù)應(yīng)力體系，討論以泄洪閘門(mén)推力與支撐結(jié)構(gòu)體系的預(yù)應(yīng)力為研究對(duì)象，評(píng)價(jià)此兩“力”的比值參數(shù)拉錨系數(shù)最優(yōu)化設(shè)計(jì)。

圖1 溢洪道平面示意

圖2 閘門(mén)模型示意

a 閘門(mén)與橫梁立面 b 閘門(mén)與鋼梁結(jié)構(gòu)剖面

2.2 設(shè)計(jì)模擬

根據(jù)對(duì)泄洪閘門(mén)結(jié)構(gòu)分析，其支撐加固鋼結(jié)構(gòu)剖面如圖4a所示，對(duì)稱(chēng)式分布有兩邊梁，并與預(yù)應(yīng)力錨索相耦接，全軸線長(zhǎng)度為5 m，采用型鋼構(gòu)件，其跨中處設(shè)置有集中墊板，避免荷載傳遞偏心，上、下翼緣厚度分別為60 mm、45 mm，加勁肋板厚度為40 mm，肋間距為2.6 m。采用的腹板為耐拉材料，厚度為30 mm。為確保優(yōu)化設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果可靠性，本文在前期綜合對(duì)比基礎(chǔ)上，設(shè)定鋼梁結(jié)構(gòu)翼緣寬厚比與腹板高厚比參數(shù)分別為30、56，腹板與閘門(mén)向夾角為82°，鋼梁結(jié)構(gòu)立面如圖4b所示。

a 鋼結(jié)構(gòu)剖面

采用CAD幾何建模與ADINA仿真計(jì)算相結(jié)合方式[13-14]，建立該泄洪閘整體模型及鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算模型(如圖5所示)。整體泄洪閘模型中均采用與閘身主材相匹配的力學(xué)本構(gòu)模型，變形方程與物理力學(xué)參數(shù)均來(lái)自工程實(shí)測(cè)，共獲得網(wǎng)格為168 284個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為145 832個(gè)。該鋼梁結(jié)構(gòu)計(jì)算模型中頂、底面分別設(shè)定為法向單一約束與全向約束邊界條件，計(jì)算閘上、下水位按照運(yùn)營(yíng)期設(shè)定。模型中X～Z正向分別取順閘墩流水向、閘室右岸方向及結(jié)構(gòu)重心上方。

a 整體模型

由于拉錨系數(shù)在已知工程中分布區(qū)間較廣，結(jié)合本工程具體現(xiàn)狀及國(guó)內(nèi)已應(yīng)用工程[15-16]，拉錨系數(shù)最大未超過(guò)3.5，本文在整體結(jié)構(gòu)其他設(shè)計(jì)參數(shù)均為一致的前提下，僅改變拉錨系數(shù)，且固定設(shè)定單支錨索張拉荷載為4 650 kN，確定拉錨系數(shù)分布在1～3，且對(duì)比方案按照梯次0.3設(shè)定，共有8個(gè)方案。由于本文需優(yōu)化設(shè)計(jì)的為一個(gè)比例參數(shù)，且該比例參數(shù)牽涉面包括有閘門(mén)與預(yù)應(yīng)力錨索，因而需綜合有效評(píng)判最優(yōu)參數(shù)影響的靜、動(dòng)力響應(yīng)特征。靜力響應(yīng)特征涉及外荷載主要以結(jié)構(gòu)自重及水壓力為主，而地震動(dòng)荷載采用與本工程場(chǎng)地相匹配的峰值加速度地震動(dòng)參數(shù)，為多頻率峰值加速度的EI Centro地震波，其0～8 s內(nèi)的加速度時(shí)程譜如圖6所示。地震動(dòng)響應(yīng)計(jì)算過(guò)程中設(shè)定模型具有粘滯性邊界條件，并采用擬靜力法將加速度時(shí)程分布輸入至模型動(dòng)荷載中，綜合靜、動(dòng)力對(duì)比計(jì)算，分析上述8種拉錨系數(shù)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)劣。

圖6 加速度時(shí)程譜示意

3 結(jié)構(gòu)靜力影響特征

3.1 應(yīng)力特征

根據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)計(jì)算，獲得了不同拉錨系數(shù)方案下結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力影響特征(如圖7所示)。分析圖7中拉應(yīng)變變化可知，受拉錨系數(shù)變化，各處拉應(yīng)力均有差異性變化特征，其中下翼緣與腹板拉應(yīng)力具有一致性類(lèi)似特征，隨拉錨系數(shù)增大，兩處拉應(yīng)力均為先減后增變化，以拉錨系數(shù)2.2方案下拉應(yīng)力為最低，分別為3.02 MPa、2.1 MPa，而下翼緣在拉錨系數(shù)1、1.6方案內(nèi)拉應(yīng)力較前者分別增大了124.1%、53.6%，而拉錨系數(shù)2.2拉應(yīng)力最低方案較之拉錨系數(shù)2.5、3.1下分別減少了9.3%、43.1%；整體上看，在梯次0.3增長(zhǎng)的拉錨系數(shù)1～2.2方案內(nèi)，下翼緣與腹板拉應(yīng)分別具有平均降幅18.1%、20%，而超過(guò)節(jié)點(diǎn)方案后，兩處拉應(yīng)力的增幅分別為21%、25.8%。從結(jié)構(gòu)抗拉安全性考慮，在拉錨系數(shù)低于2.2時(shí)更利于此兩處安全。加勁肋處拉應(yīng)力隨拉錨系數(shù)為遞減變化，在拉錨系數(shù)低于2.5方案前，其拉應(yīng)力為結(jié)構(gòu)上最高，但在該方案后，其拉應(yīng)力甚至接近腹板處量值。從拉應(yīng)力的降幅來(lái)看，集中在拉錨系數(shù)1～2.2方案階段內(nèi)，該梯次區(qū)間內(nèi)最大降幅達(dá)22.7%，平均降幅為21.4%，而拉錨系數(shù)超過(guò)2.2后，加勁肋拉應(yīng)力最大降幅僅為1.5%。從加勁肋處拉應(yīng)力影響與設(shè)計(jì)優(yōu)化考慮，控制拉錨系數(shù)位于較合理區(qū)間更佳。上翼緣處拉應(yīng)力與前三處有所差異，其在拉錨系數(shù)1～2.2區(qū)間方案內(nèi)，拉應(yīng)力穩(wěn)定在1.5MPa左右，最大變幅不超過(guò)2%，而拉錨系數(shù)為2.5、3.1后，其拉應(yīng)力較前階段穩(wěn)定值分別增長(zhǎng)了22.8%、101.1%，因而確保上翼緣安全穩(wěn)定性與拉錨系數(shù)位于1～2.2密不可分。綜合拉應(yīng)力影響變化來(lái)看，各處拉應(yīng)力均在拉錨系數(shù) 1～2.2方案內(nèi)表現(xiàn)更優(yōu)，而從優(yōu)化設(shè)計(jì)考量，拉應(yīng)力的最優(yōu)方案應(yīng)為拉錨系數(shù)2.2。

圖7 拉應(yīng)力與拉錨系數(shù)參數(shù)關(guān)系示意

圖8為拉錨系數(shù)2.2方案下預(yù)應(yīng)力閘墩結(jié)構(gòu)與弧門(mén)面板預(yù)留孔第一主應(yīng)力分布特征。從圖8中可知：預(yù)應(yīng)力閘墩與弧形閘門(mén)的接觸面上最大主應(yīng)力為1.9 MPa，位于預(yù)應(yīng)力錨索與加固鋼梁的凹面處，整體預(yù)應(yīng)力閘墩受拉應(yīng)力不超過(guò)1 MPa。錨索預(yù)留孔中由于應(yīng)力集中效應(yīng)，其拉應(yīng)力較大，達(dá)3.3 MPa，此與鋼梁結(jié)構(gòu)與預(yù)應(yīng)力閘墩間的墊塊接觸位置有關(guān)。整體上看，在該拉錨系數(shù)方案下，鋼結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力滿足設(shè)計(jì)安全要求。

a 鋼梁接觸面

3.2 位移特征

同理，可獲得加固結(jié)構(gòu)位移特征(如圖9所示)，包括有結(jié)構(gòu)各向位移與鋼結(jié)構(gòu)截面跨中與端部處撓度變化。從圖9中可知，三向位移與拉錨系數(shù)關(guān)系均保持一致，以拉錨系數(shù)2.2方案下位移值最低，X～Z三向位移分別為4.5 mm、4.97 mm、5.84 mm。當(dāng)拉錨系數(shù)低于2.2時(shí)，拉錨系數(shù)愈大，對(duì)結(jié)構(gòu)各向位移具有抑制效應(yīng)，當(dāng)拉錨系數(shù)方案內(nèi)梯次增長(zhǎng)0.3，則X～Z向位移分別平均可減少18.1%、19.1%、18.4%，而拉錨系數(shù)超過(guò)2.2后，拉錨系數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)變形具有促進(jìn)作用，不利于結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定，X～Z各向位移在該梯次區(qū)間內(nèi)分別具有平均增幅25.1%、25.6%、26.3%。在三向位移影響表現(xiàn)過(guò)程中，以拉錨系數(shù)2.2方案下更利于結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)穩(wěn)定性。

a 各向位移

從鋼結(jié)構(gòu)截面跨中與端部撓度來(lái)看，兩者撓度值與拉錨系數(shù)具有差異性，端部撓度隨拉錨系數(shù)的變化特征與結(jié)構(gòu)各向位移變化一致，以拉錨系數(shù)2.2方案下為最低，達(dá)2.3 mm，但在該方案后，端部撓度出現(xiàn)較大增幅，甚至量值超過(guò)跨中撓度；而跨中撓度在拉錨系數(shù)增長(zhǎng)過(guò)程中均保持遞減，只是在拉錨系數(shù)維持在低于2.2時(shí)集中較大增幅，其中拉錨系數(shù)2.2方案下?lián)隙容^之系數(shù)1.3、1.9下分別減少了38.3%、12%，而在拉錨系數(shù)2.2方案后撓度低于端部，其撓度值過(guò)渡至穩(wěn)定狀態(tài)。結(jié)合各向位移與截面撓度變化可知，不論是位移限制亦或是撓度控制，在拉錨系數(shù)2.2下結(jié)構(gòu)靜力場(chǎng)更處于設(shè)計(jì)最優(yōu)。

4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征

基于EI Centro地震波的疊加計(jì)算，獲得不同拉錨系數(shù)的方案下，閘門(mén)加固鋼結(jié)構(gòu)跨中處加速度響應(yīng)特征(如圖10所示)。

圖10 加速度響應(yīng)特征示意

從圖10中可知，EI Centro地震波峰值加速度愈大，則結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)特征值愈高，在拉錨系數(shù)1.3方案下，EI Centro波的峰值加速度10 m/s2工況下加速度響應(yīng)值為249.1 mm/s2，而動(dòng)荷載峰值加速度每增大10 m/s2下，其加速度響應(yīng)值平均可增長(zhǎng)73.7%，對(duì)結(jié)構(gòu)抗震設(shè)防來(lái)說(shuō)難度加大。而拉錨系數(shù)增長(zhǎng)至1.9、2.2或3.1時(shí)，其加速度響應(yīng)值隨地震波峰值加速度幅值的影響增幅分別為61.3%、20.7%，即拉錨系數(shù)愈大，受動(dòng)荷載幅值影響更弱[17]。同一幅值地震波下拉錨系數(shù)愈大，則加速度響應(yīng)值水平愈大，但在4個(gè)地震波幅值工況中，加速度響應(yīng)值隨拉錨系數(shù)的變化可分為兩階段特征：在拉錨系數(shù)1～2.2方案內(nèi)，加速度響應(yīng)值水平增幅較小，地震波幅值10～40 m/s2下梯次拉錨系數(shù)增長(zhǎng)過(guò)程中分別具有平均增幅9.2%、6.7%、2.4%、1.5%；而在系數(shù)為2.2～3.1方案內(nèi)，其加速度響應(yīng)值增幅較為顯著，4個(gè)工況中平均增幅分別超過(guò)了70.2%、51.1%、34.5%、25.3%，極不利于結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)，因而從拉錨系數(shù)控制結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)角度考慮，靜力場(chǎng)設(shè)計(jì)優(yōu)化的2.2方案亦利于結(jié)構(gòu)抗震要求。

5 結(jié)語(yǔ)

1) 下翼緣與腹板拉應(yīng)力隨拉錨系數(shù)均為先減后增變化，以拉錨系數(shù)2.2方案下最低，分別為3.02 MPa、2.1 MPa；加勁肋處拉應(yīng)力隨拉錨系數(shù)為遞減變化，但降幅在拉錨系數(shù)1～2.2方案內(nèi)，最大降幅達(dá)22.7%；上翼緣處拉應(yīng)力在拉錨系數(shù)1～2.2方案內(nèi)穩(wěn)定在1.5 MPa，超出該方案區(qū)間為遞增態(tài)勢(shì)；拉錨系數(shù)2.2方案下主應(yīng)力分布較合理，主應(yīng)力值滿足安全要求。

2)X～Z向位移均以拉錨系數(shù)2.2方案下位移值最低，分別為4.5 mm、4.97 mm、5.84 mm；在拉錨系數(shù)低于2.2時(shí)，各向位移處于抑制，而超過(guò)該值后，作用相反；端部撓度以拉錨系數(shù)2.2方案下為最低，而拉錨系數(shù)超過(guò)該方案后，撓度具有較大增幅，跨中撓度在拉錨系數(shù)低于2.2方案內(nèi)具有較大降幅，但在系數(shù)2.2方案后降幅趨穩(wěn)定。

3) 地震波幅值愈大，則結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)值愈高，且拉錨系數(shù)愈大，加速度響應(yīng)值受地震波幅值影響影響愈?。焕^系數(shù)愈大，加速度響應(yīng)值愈大，但增幅具有兩階段特征，拉錨系數(shù)1～2.2方案內(nèi)，地震波幅值10～40 m/s2下分別具有平均增幅9.2%、6.7%、2.4%、1.5%；而在系數(shù)為2.2～3.1方案內(nèi)，平均增幅分別超過(guò)了70.2%、51.1%、34.5%、25.3%。

4) 綜合結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力場(chǎng)影響特征，拉錨系數(shù)2.2下結(jié)構(gòu)靜力安全與動(dòng)力場(chǎng)抗震設(shè)計(jì)均最優(yōu)。