宋 輝

（河北省子牙河河務(wù)中心,河北 衡水 053000）

1 前言

水閘是重要水工建筑物,由于其長期受到水壓力、自重、外力的長期作用,結(jié)構(gòu)材料發(fā)生疲勞腐蝕破壞,尤其在突發(fā)地震時(shí),周圍土體將帶動(dòng)水閘結(jié)構(gòu)發(fā)生大幅振動(dòng),導(dǎo)致水閘結(jié)構(gòu)開裂,無法正常運(yùn)行[1-3]。目前針對水閘抗震性能的研究,主要集中在建閘地基土體性質(zhì)、水閘結(jié)構(gòu)布置及地震波種類等方面。研究發(fā)現(xiàn),周圍土體及地基對水閘結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)行為起到放大作用,導(dǎo)致閘室底板將產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力和壓應(yīng)力,威脅水閘結(jié)構(gòu)安全[4-5]。修建在不同性質(zhì)地基上的水閘,動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律均有所不同,地基剛度越大,地震效應(yīng)越弱[6-8]。在閘室底板下合理設(shè)置樁基可以對地基土起到擠密、壓實(shí)的作用,減小閘室沉降,改善結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布[9-10]；使用振沖碎石樁可以減小地基土體的孔隙水壓力,有效防止砂土地基受震發(fā)生液化,進(jìn)一步增強(qiáng)水閘的抗震性能[11-12]。將水閘進(jìn)行對稱布置,同時(shí)減小水閘上部結(jié)構(gòu)高度,加固檢修橋等水閘橫向聯(lián)系結(jié)構(gòu),也有利于增強(qiáng)水閘抗震能力[13-14]。

隨著建筑材料的發(fā)展,輕骨料混凝土由于自重輕、剛度大,且具有很好的抗裂性和延展性,被廣泛應(yīng)用于各類建筑工程領(lǐng)域[15]。而目前,鮮有水閘建筑材料特性對結(jié)構(gòu)抗震性能影響的研究。本文采用有限元法,分析水平向及縱向地震波作用下,采用不同密度及彈性模量混凝土水閘的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律。

2 工程概況

水閘為三孔鋼筋混凝土河道進(jìn)水閘,閘孔凈寬6 m,高3.5 m,閘室寬21.6 m,長10.8 m,邊墩及中墩寬1 m,閘室底板厚0.6 m,閘墩上設(shè)有啟閉機(jī)橋、檢修橋及公路橋,上游進(jìn)水段長8 m,下游消力池段長10 m。水閘平面布置圖和剖面圖見圖1、圖2。

圖1 水閘平面布置圖

圖2 水閘縱剖面圖

閘室兩側(cè)岸坡為素填土,閘室置于粗砂軟弱地基上,粗砂層厚8 m,下部為強(qiáng)風(fēng)化巖體。閘室地基采用振沖碎石樁進(jìn)行加固處理,樁徑為0.6 m,等間距布樁,樁間距1.8 m,樁長為6 m,順河道方向設(shè)置6 排,垂直河道方向設(shè)置12 排。

3 計(jì)算模型及原理

3.1 有限元模型

有限元計(jì)算模型見圖3,模型均采用三維實(shí)體單元,閘室結(jié)構(gòu)及樁基礎(chǔ)單元采用彈性本構(gòu)模型,其余土體單元采用摩爾庫倫本構(gòu)模型,材料計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 材料物理力學(xué)特性

圖3 模型有限元計(jì)算網(wǎng)格

3.2 特征值分析

在進(jìn)行動(dòng)力時(shí)程分析前,需對模型自振特性進(jìn)行計(jì)算,即進(jìn)行模型的特征值分析。在保證精度符合要求的情況下,為便于計(jì)算,本文共設(shè)置10 個(gè)計(jì)算振型,用于獲取模型最大質(zhì)量參與比例對應(yīng)的振動(dòng)周期。同時(shí),為避免地震波在模型邊界發(fā)生反射,影響計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性,在地基四周采用自由場邊界,用于模擬無限遠(yuǎn)處土體；在模型底部采用固定端邊界,用于模擬模型與底部基巖的連接。

3.3 地震荷載設(shè)置

本文采用Kobe 波作為本次計(jì)算輸入的地震波,地震時(shí)程設(shè)置為20 s,輸入方向分別沿X 軸（順河向）、Y 軸（橫河向）、Z 軸（豎向）,地震波時(shí)程加速度見圖4。

圖4 Kobe 波加速度時(shí)程

4 地震波作用下水閘動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律

4.1 水閘最大相對位移分析

圖5 為不同向地震波作用下水閘最大相對位移云圖。由圖可知,橫河向地震波對水閘最大相對位移值影響最大,縱向地震波次之,順河向地震波最小。在橫河向波及順河向波作用下,水閘最大相對位移均出現(xiàn)在啟閉機(jī)架頂部,特別是當(dāng)橫河向波作用時(shí),啟閉機(jī)架最大相對位移達(dá)到了12.99 cm,水閘閘室、上游進(jìn)水段及消力池段相對位移集中在10 cm 左右?？v向地震波作用時(shí),水閘最大相對位移出現(xiàn)在公路橋下游側(cè)及消力池與閘室連接處,最大值為6.82 cm,其余結(jié)構(gòu)的最大相對位移值大部分集中在6.59 cm～6.47 cm。

圖5 不同向地震波作用下水閘最大相對位移

4.2 水閘最大拉應(yīng)力分析

圖6 不同向地震波作用下水閘最大拉應(yīng)力云圖。從圖中可以看出,地震波作用時(shí),水閘結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力值相對靜力作用下均大幅增加,不同方向地震波作用下水閘最大拉應(yīng)力基本出現(xiàn)在啟閉機(jī)架立柱端部及中墩與檢修橋、公路橋、閘室底板的連接位置。在橫河向及順河向地震波作用下,水閘最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在啟閉機(jī)立柱的頂部和底部,分別為27.73 MPa 和26.27 MPa；在縱向地震波作用下,水閘最大拉應(yīng)力分布與靜力荷載作用下類似,最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在檢修橋與中墩的連接處,為31.39 MPa。

圖6 不同向地震波作用下水閘最大拉應(yīng)力

從以上分析可以得出,水閘高度越高,抗震性能越差；中墩與啟閉機(jī)橋、檢修橋、公路橋、閘室底板連接位置為水閘結(jié)構(gòu)抗震的薄弱環(huán)節(jié)。水閘在橫河向的剛度最小,在橫河向地震波作用下,水閘與兩側(cè)岸坡土體相互擠壓作用,因此結(jié)構(gòu)易發(fā)生破壞。

5 混凝土材料特性對水閘抗震性能的影響分析

根據(jù)分析可知,在橫河向地震波作用下,水閘結(jié)構(gòu)的相對位移及最大拉應(yīng)力相對較大,動(dòng)力響應(yīng)最為突出。因此,研究橫河向地震波作用下,不同混凝土彈性模量及密度對結(jié)構(gòu)抗震性能的影響。

5.1 混凝土特性對水閘相對位移的影響

圖7 為不同彈性模量及密度的混凝土水閘相對位移時(shí)辰曲線。從圖中可以看出,混凝土彈性模量越低,水閘在地震波作用下相對位移值越大,當(dāng)混凝土彈性模量降低至1.6 GPa時(shí),水閘最大相對位移達(dá)到了0.22 m?；炷撩芏仍叫?地震波作用下水閘相對位移越小,當(dāng)混凝土密度為1.2 g/m3時(shí),水閘最大相對位移值為0.08 m。這是因?yàn)閺椥阅Ａ吭酱?水閘整體剛度越大,抗變形能力變強(qiáng)；而材料密度越小,結(jié)構(gòu)自振動(dòng)頻率越小,與場地振動(dòng)頻率差異增大,受振動(dòng)影響減弱。

圖7 水閘相對位移時(shí)程曲線

5.2 混凝土特性對水最大拉應(yīng)力的影響

圖8 為不同彈性模量及密度的混凝土水閘結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力時(shí)程曲線。從圖中可知,隨著材料彈性模量的增加,水閘結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力在不斷增大,當(dāng)混凝土彈性模量為2.8 GPa時(shí),地震波作用下結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力達(dá)到了4.5 MPa。隨著材料密度減小,結(jié)構(gòu)所受拉應(yīng)力也逐漸減小,當(dāng)混凝土密度為1.2 g/m3時(shí),水閘結(jié)構(gòu)最大拉應(yīng)力為1 MPa 左右。這說明輕質(zhì)、柔性材料在地震波作用下,結(jié)構(gòu)內(nèi)力更小,抗震性能更好。

圖8 水閘最大拉應(yīng)力時(shí)程曲線

6 結(jié)論

本文采用有限元軟件對不同地震波作用下水閘的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行了分析,并對比研究了采用不同彈性模量及密度的混凝土?xí)r水閘抗震性能的變化,得出以下結(jié)論：

（1）水閘高度越高,抗震性能越差,閘墩與啟閉機(jī)橋、檢修橋、公路橋、閘室底板等結(jié)構(gòu)的連接位置為水閘抗震的薄弱環(huán)節(jié),設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)著重考慮地震荷載的影響。

（2）在不同方向的地震波作用下,水閘的動(dòng)力響應(yīng)有較大差別。由于水閘在橫河向的剛度相對較小,在橫河向地震波作用下,水閘受兩側(cè)岸坡土體的擠壓作用,結(jié)構(gòu)的相對位移和拉應(yīng)力達(dá)到最大值。

（3）材料的彈性模量和密度對水閘抗震性能具有一定影響,筑閘混凝土彈性模量越大,水閘整體剛度越大,地震波作用下相對位移值較小,但結(jié)構(gòu)所受拉應(yīng)力較大。密度較小的材料,自振頻率與場地振動(dòng)頻率具有較大差異,地震波作用下相對位移值和拉應(yīng)力值較小。