張學(xué)冬

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511300)

0 引言

水工建筑安全穩(wěn)定不僅僅需要考慮設(shè)計(jì)方案的合理性[1-2]，也需探討不同工況荷載下結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移影響特征，尤以動(dòng)力響應(yīng)工況下更為顯著。進(jìn)水塔作為水電站、泵閘等工程中常見(jiàn)水工結(jié)構(gòu)[3-4]，設(shè)計(jì)方案可靠性是否能匹配工況荷載，乃是水利工程師常需考慮的問(wèn)題。楊庚鑫等[5]、吳建興等[6]為研究進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征，采用振型分解、反應(yīng)譜時(shí)程法等，研究了地震波荷載對(duì)塔體結(jié)構(gòu)響應(yīng)水平的影響，包括應(yīng)力分布、位移特征等。Heymsfield E.[7]、ALEMBAGHERI M.[8]為研究進(jìn)水塔的抗震設(shè)計(jì)，分別開(kāi)展了不同地震波輸入特性下塔體結(jié)構(gòu)地震動(dòng)響應(yīng)水平分析，探討了各類(lèi)型地震波下水工結(jié)構(gòu)的加速度、主應(yīng)力等參數(shù)影響特征，對(duì)推動(dòng)水工結(jié)構(gòu)抗震研究具有重要意義。朱代富等[9]、李明超等[10]從地震波入射方式入手，探討了地震波不同方式輸入下，水工結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力分布變化，有助于揭示水工建筑地震破壞機(jī)理。本文為研究江都泵站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特征，從波形入射角對(duì)比入手，評(píng)價(jià)了不同輸入狀態(tài)下進(jìn)水塔體結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移以及加速度響應(yīng)變化，對(duì)提高結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)有所參考。

1 研究方法

1.1 工程介紹

江都泵站乃是京杭大運(yùn)河、南水北調(diào)等重要輸水通道的重要節(jié)點(diǎn)，位于淮河入江、新通揚(yáng)運(yùn)河交匯處，具有輸調(diào)水以及泄流排澇等重要水利職責(zé)。江都一站目前有8臺(tái)軸流泵，運(yùn)行總流量為81.6m3/s，單機(jī)流量可達(dá)10.2m3/s，全功率運(yùn)行下年輸水超過(guò)3200萬(wàn)m3，引水為1500萬(wàn)m3，有助于新通揚(yáng)運(yùn)河以及淮河入江段泄洪排澇，設(shè)計(jì)排澇流量可達(dá)23m3/s，最大揚(yáng)程為7.8m。不僅于此，江都一站還是長(zhǎng)江下游重要水文觀測(cè)樞紐，對(duì)汛期洪峰過(guò)境、枯水季蓄水調(diào)度，具有重要價(jià)值。圖1為江都水利樞紐工程從一站至四站分布示意。不論是江都一站或是江都四站，在芒稻河、新通揚(yáng)運(yùn)河等河道中，所發(fā)揮的蓄水、調(diào)水作用不可估量。根據(jù)統(tǒng)計(jì)資料，目前江都水利樞紐工程年運(yùn)行時(shí)間超過(guò)5000h，實(shí)現(xiàn)水利發(fā)電超過(guò)3500萬(wàn)kW·h，從優(yōu)化泵站運(yùn)行、提高水能利用率、降低輸水耗能等方面，江都水利樞紐管理處開(kāi)展了智慧水利等一系列新興技術(shù)的應(yīng)用，但不可忽視由于部分泵站運(yùn)行時(shí)間、設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)均有所滯后，急需對(duì)部分泵閘結(jié)構(gòu)開(kāi)展更新維護(hù)。從2016—2021年江都水利樞紐水文資料分析表明，排澇流量維持在與洪峰過(guò)境匹配水平，抽引流量仍存一定缺陷，泄流擠壓常導(dǎo)致泵閘滿負(fù)荷運(yùn)行，且導(dǎo)致部分?jǐn)r污柵結(jié)構(gòu)破壞。為此，計(jì)劃采用水利仿真模擬建設(shè)方式，對(duì)江都一站進(jìn)水塔開(kāi)展結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)水平分析。

圖1 江都水利樞紐分布示意

1.2 計(jì)算模型

基于江都水利樞紐智慧水利虛擬仿真系統(tǒng)，構(gòu)建起與江都一站相匹配的進(jìn)水塔幾何模型，并導(dǎo)入至ABAQUS有限元計(jì)算平臺(tái)中，獲得了進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)有限元模型，如圖2(a)所示。該模型依托于智慧水利的運(yùn)營(yíng)可靠性分析，為數(shù)字孿生產(chǎn)物，在有限元計(jì)算平臺(tái)中，僅提取出進(jìn)水塔上部結(jié)構(gòu)模型與場(chǎng)地地基結(jié)構(gòu)，模型的X～Z向分別為順?biāo)飨?、垂直向上以及岸坡右?cè)。該計(jì)算模型中，塔體最高處為60m，X、Y向計(jì)算范圍為120m，Z向計(jì)算范圍為150m，且Z向范圍涵蓋了地基向下深度30m。經(jīng)ABAQUS有限元平臺(tái)劃分網(wǎng)格，共獲得模型網(wǎng)格單元348264個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為396482個(gè)，而塔體結(jié)構(gòu)中采用的為彈塑性本構(gòu)單元，網(wǎng)格數(shù)占總模型的73.5%，如圖2(b)所示。進(jìn)水塔所在場(chǎng)地地基采用附加質(zhì)量法進(jìn)行仿真計(jì)算，塔體底面與基礎(chǔ)接觸面加密劃分網(wǎng)格，確保計(jì)算精度。

圖2 有限元計(jì)算模型

據(jù)地勘報(bào)告顯示，上覆土體為為松散性適中的壤土，含水率分布為16%～20%，為芒稻河下游平臺(tái)典型代表，密度為1.7g/cm3，基巖為半風(fēng)化灰?guī)r，單軸強(qiáng)度超過(guò)40MPa，變形模量為13.2GPa，由于壤土沉陷性以及吸水性滿足地基土體要求，故未進(jìn)行改性治理，本文計(jì)算模型中，巖土體參數(shù)也是以此為參照設(shè)定。

為確保計(jì)算結(jié)果可靠性，本文采用Taft地震波為輸入荷載[1，11]，該波形前20s加速度時(shí)程特征如圖3所示，峰頻加速度為0.3g。計(jì)算時(shí)采用粘彈性邊界條件設(shè)定，基于等效節(jié)點(diǎn)荷載方法，施加不同角度的入射Taft地震波，并限定入射角35°時(shí)為其均勻波形臨界點(diǎn)，只要入射角不超過(guò)該臨界點(diǎn)，波形均具有二維平面波形，在超過(guò)該臨界點(diǎn)后，所輸入的地震波荷載在反射方向上不具有二維均勻波。從江都水利樞紐進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)全面性考慮，Taft地震波入射角分別為0°、15°、30°、45°、60°、90°，入射方式均為一致，在模型上作用荷載具有波形等效特點(diǎn)，波形入射示意如圖4。

圖3 地震波時(shí)程曲線

圖4 波形入射示意

塔體結(jié)構(gòu)受地震動(dòng)荷載影響，會(huì)具有協(xié)同共振特點(diǎn)，從進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)模型上選取多個(gè)關(guān)鍵特征點(diǎn)進(jìn)行分析，分別位于塔底(1#、5#)、塔中(3#、4#)以及塔頂(2#、6#)。同時(shí)，在塔體模型上選取關(guān)鍵區(qū)域，作為應(yīng)力分布及變化的衡量節(jié)點(diǎn)，如圖5所示?；谏鲜鲫P(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力、位移以及加速度響應(yīng)特征分析，探討Taft波不同入射角工況下進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)差異。

圖5 關(guān)鍵特征點(diǎn)分布

2 泵站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移響應(yīng)特征

2.1 應(yīng)力特征

基于進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算，獲得了塔體結(jié)構(gòu)各關(guān)鍵特征點(diǎn)處主應(yīng)力特征，如圖6所示。依圖6可知，不同入射角方案下，主應(yīng)力在特征點(diǎn)上的表現(xiàn)不同。在入射角0°時(shí)，塔底1#～4#點(diǎn)，第一主應(yīng)力從6.32MPa過(guò)渡至4.23MPa，整體呈遞減，但在5#～6#特征點(diǎn)處，主應(yīng)力具有穩(wěn)定態(tài)勢(shì)，維持在3.3MPa。當(dāng)入射角為30°、60°時(shí)，各特征點(diǎn)處主應(yīng)力變化態(tài)勢(shì)各有異性，比如入射角45°時(shí)，在特征點(diǎn)5#～6#處，主應(yīng)力呈遞增變化，分布在10.6～13.1MPa。分析可知，入射角變化，會(huì)改變各特征點(diǎn)間主應(yīng)力變化趨勢(shì)特征，也會(huì)破壞塔體結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)主應(yīng)力關(guān)系聯(lián)系性。從主應(yīng)力量值水平分析可知，當(dāng)入射角愈大，總體上主應(yīng)力量值水平愈高，此規(guī)律在各特征點(diǎn)處均是如此。入射角0°方案下，3#特征點(diǎn)主應(yīng)力為4.24MPa，而入射角為15°、60°、90°時(shí)，相應(yīng)特征點(diǎn)處主應(yīng)力較之分別提高了82.2%、159.3%、328.3%，特別是在入射角45°～90°區(qū)間內(nèi)，當(dāng)入射角每遞增15°，會(huì)引起3#特征點(diǎn)主應(yīng)力增大37.2%。同樣，在2#、4#、6#特征點(diǎn)處亦是如此，主應(yīng)力隨入射角分別具有平均增幅24.8%、27.9%、59.9%，對(duì)比塔頂、塔底特征點(diǎn)主應(yīng)力增幅可知，塔底主應(yīng)力受入射角影響敏感性更顯著。從計(jì)算結(jié)果宏觀來(lái)看，入射角與主應(yīng)力量值水平為正相關(guān)，尤其在入射角超過(guò)35°后的45°～90°三方案中，主應(yīng)力量值水平增幅最為明顯。

圖6 各關(guān)鍵特征點(diǎn)處主應(yīng)力特征

2.2 位移特征

從動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算結(jié)果中提取獲得了各向位移變化特征，如圖7所示。從圖中位移特征可知，各特征點(diǎn)的X、Y向位移變化趨勢(shì)性具有一致性，X向位移均為遞增，而Y向位移在各特征點(diǎn)中保持穩(wěn)定。相比之下，Z向位移的趨勢(shì)變化無(wú)序性更顯著，特別是在特征點(diǎn)4#～6#。在X向位移中，隨入射角遞增，位移值減小，同是特征點(diǎn)5#，入射角0°時(shí)為576.1mm，而入射角45°、90°方案下位移值較前者分別減少了34.4%、76.5%，在1#～6#六個(gè)特征點(diǎn)中，隨入射角45°變化，位移量值降幅分布為47.6%～60.9%。從特征點(diǎn)上X向位移增幅來(lái)看，三個(gè)入射角方案中，位移增幅較為接近，從1#～6#特征點(diǎn)，入射角0°下位移分布為449.6～566.2mm，平均增幅為8.7%，而在入射角90°時(shí)，位移分布為24.1～158.4mm，平均增幅為13.5%。Y向位移在各特征點(diǎn)中均保持恒定，入射角0°、45°、90°三方案中分別為47.2mm、125.6mm、237.4mm，入射角愈大，Y向位移值愈高，此種現(xiàn)象與X向位移相反?？傮w上可知，塔體結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)上Y向位移分布具有一致性，受入射角影響，量值會(huì)有提高。

圖7 各向位移變化特征

在1#～3#特征點(diǎn)中，同一入射角方案中，特征點(diǎn)為4#～6#后，位移量值出現(xiàn)差異，總體上呈“增-減-增”變化。對(duì)比入射角對(duì)Z向位移量值影響，在4#、6#特征點(diǎn)處，入射角愈大，Z向位移值愈低，但在5#特征點(diǎn)處趨勢(shì)與之相反。分析認(rèn)為，波形入射角對(duì)Z向位移影響最大，塔體結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)上位移變化與量值水平，具有突變性，此與地震波的輸入方向決定了塔體結(jié)構(gòu)Z向平衡性，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重關(guān)注[12-13]。

3 泵站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)特征

依據(jù)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)地震波荷載輸入計(jì)算，可獲得結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)變化特征，如圖8所示。由圖8可看出，在各入射角方案中，加速度變化趨勢(shì)特征具有一致性，加速度響應(yīng)最高均為2#、4#、6#特征點(diǎn)；在入射角30°方案中，特征點(diǎn)1#、3#、5#處加速度響應(yīng)值分別為0.66m/s2、0.84m/s2、0.67m/s2，而6#特征點(diǎn)處加速度響應(yīng)水平較前者三個(gè)點(diǎn)分別提高了92%、51.1%、90.3%，而特征點(diǎn)2#、4#處響應(yīng)值分別為1.11m/s2、0.97m/s2。由此可知，塔頂特征點(diǎn)加速度響應(yīng)水平高于塔底，地震動(dòng)響應(yīng)水平更應(yīng)關(guān)注塔頂處。當(dāng)入射角增大，塔體結(jié)構(gòu)上加速度響應(yīng)水平均為遞增，增幅趨勢(shì)也有差異性。在入射角0°方案，特征點(diǎn)1#～6#處加速度響應(yīng)均值為0.41m/s2，而入射角30°、60°方案下響應(yīng)均值分別為0.92m/s2、1.75m/s2，其中入射角90°下較之0°、30°下分別提高了5.82倍、2倍；當(dāng)入射角每遞增30°，導(dǎo)致塔體結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)均值提高91.8%，在入射角60°、90°上，加速度響應(yīng)均值對(duì)比增幅更大。分析認(rèn)為，地震波形的入射方向超過(guò)均勻波形角(35°)，則塔體加速度響應(yīng)水平更大[14]，造成危害更大。

圖8 加速度響應(yīng)變化特征

4 結(jié)論

(1)不同入射角方案下，塔體結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)處主應(yīng)力響應(yīng)值變化具有無(wú)序性；入射角愈大，塔體主應(yīng)力量值水平愈高，尤以入射角45°～90°下增幅最為顯著。

(2)改變?nèi)肷浣牵琗、Y向位移變化趨勢(shì)特征保持一致，分別為遞增、穩(wěn)定不變，而隨入射角增大，兩向位移值分別為遞減、遞增；受入射角影響，Z向位移變化無(wú)序性明顯。

(3)在各入射角方案中，塔頂處加速度響應(yīng)水平均為最大；入射角增大，塔體特征點(diǎn)處加速度響應(yīng)值均為遞增，且在入射角超過(guò)35°后增幅更顯著。

(4)從塔體結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)考慮，關(guān)注塔頂處安全與Z向位移更為重要。