強(qiáng)震區(qū)高聳建筑物地震動反應(yīng)研究

周劍萍

義烏工商學(xué)院，浙江義烏 322000

我國是一個地震頻發(fā)的國家。隨著水利水電事業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展,在強(qiáng)震區(qū)會興建越來越多水利水電工程。對于水利水電工程引水、泄水系統(tǒng)，進(jìn)水口屬于關(guān)鍵性建筑物，由于其體型原因、抗震性能相對較差，因此進(jìn)行進(jìn)水塔地震反應(yīng)研究具有非常重要的意義。

本文結(jié)合某水電站進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的靜、動力分析，研究地震動對進(jìn)水口建筑的反應(yīng)。水電站地處青藏高原東南緣向四川盆地過渡之川西南高山區(qū)中部，工程區(qū)未來面臨的地震危險性主要來自于鮮水河地震帶和安寧河地震帶對它的影響。進(jìn)水口塔基大部分布置在以IV類強(qiáng)風(fēng)化、弱卸荷的花崗巖為主的巖體上，部分布置在Ⅴ類為主的巖體上。地震基本烈度為8度，壩址50年超越概率5%基巖水平向峰值加速度為0.331g。

引水系統(tǒng)由電站進(jìn)水口和引水隧洞組成，電站進(jìn)水口采用岸塔式，進(jìn)水口布置在距壩上游100m處，與大壩左壩肩相連，進(jìn)水塔前沿4臺機(jī)組進(jìn)水口呈“一”字型并排布置。進(jìn)水口底板高程1090.00m，底板建基面高程1085.00m。進(jìn)水口的進(jìn)水前沿總寬114.0 m，順?biāo)飨蜷L30.0 m，總高度50 m。引水隧洞共4條，洞徑為10.0 m，隧洞中心距34.0 m，隧洞中心線方位角為N60.256°W，隧洞圍巖材料主要為Ⅱ、Ⅲ類花崗巖。每個進(jìn)水單元有5×2道攔污柵，進(jìn)水口孔口斷面8.0m×10.0m（寬×高）。塔體段設(shè)有檢修門、工作門各一道，工作門后設(shè)通氣孔。

1 計算模型

圖1 進(jìn)水口結(jié)構(gòu)與基巖有限元計算網(wǎng)格圖

圖2 整體進(jìn)水口

由于多塔并列塔體整體性好，使得抗震性能要有所提高，所以本文僅研究單個塔體的地震動反應(yīng)。有限元計算模型包括進(jìn)水口攔污柵框架、塔身整體結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的巖石基礎(chǔ)。進(jìn)水口攔污柵框架、塔體和基巖均按照六/五面體8/6節(jié)點(diǎn)三維實體單元離散，按照真實設(shè)計尺寸建立有限元模型。邊界條件考慮了基巖各地層風(fēng)化條件、施工開挖的強(qiáng)弱卸載條件影響。網(wǎng)格剖分根據(jù)混凝土結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，在結(jié)構(gòu)開孔周邊和截面發(fā)生突變的關(guān)鍵部位適當(dāng)進(jìn)行網(wǎng)格加密處理。進(jìn)水口塔身混凝土與引水隧洞之間留有結(jié)構(gòu)施工縫，計算中采用將此部分分開處理，而塔背上部二期回填混凝土與岸坡采用粘結(jié)條件處理。結(jié)構(gòu)混凝土為C20，基礎(chǔ)置換與回填混凝土為C15。靜力分析中，混凝土材料的彈性模量按照設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)計算，動力分析中彈性模量較靜力分析提高30%，相應(yīng)動強(qiáng)度提高30%考慮，以反映混凝土材料對加載速率的影響。

2 荷載說明

有限元分析計算中混凝土結(jié)構(gòu)所考慮的主要荷載包括：結(jié)構(gòu)自重、靜水壓力、設(shè)備自重、揚(yáng)壓力、滲透壓力、浪壓力、活荷載、施工荷載、溫降、地震慣性力和地震動水壓力等。揚(yáng)壓力：作用在塔體建基面上的揚(yáng)壓力按相應(yīng)水位分別計算。建基面上只考慮浮托力的作用，不考慮滲透壓力。滲透壓力：考慮進(jìn)水口結(jié)構(gòu)塔背從1105.0～1135.0采用C15混凝土回填，考慮回填混凝土與結(jié)構(gòu)混凝土之間存在滲透水壓力。滲透壓力按相應(yīng)作用水頭分別計算。浪壓力：實際計算中，浪壓力考慮為單位寬度壓力。有限元計算中處理為面分布壓力，并作用在相關(guān)的結(jié)構(gòu)部位。溫降：混凝土結(jié)構(gòu)分別考慮均勻溫降5℃和10℃兩種情況，不考慮結(jié)構(gòu)溫降梯度影響。地震水壓力的取值是根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，塔內(nèi)、外的地震水壓力可分別作為塔內(nèi)、外表面的附加質(zhì)量考慮，并作用在相應(yīng)作用面上，按式（1）計算

式（1）中，mw（h）-水深h處單位高度動水壓力附加質(zhì)量代表值；ψm(h)-附加質(zhì)量分布系數(shù)；ηw-形狀系數(shù)；A-塔體沿高度平均截面于水體交線包絡(luò)面積；a-塔體垂直地震作用方向的迎水面最大寬度沿高度的平均值。

3 動力特性計算成果與分析

進(jìn)水口動力特性的計算內(nèi)容包括施工期空庫狀態(tài)動力特性和運(yùn)行期滿庫狀態(tài)動力特性，以比較結(jié)構(gòu)頻率和振型的差別與變化。表一給出了兩個工況下的自振頻率和振型。比較可知：1）進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的低階頻率所對應(yīng)的振型屬整體振動，頻率值相差明顯，可以采用反應(yīng)譜理論計算進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)；2）高階頻率所對應(yīng)的振型基本上屬于框架上的柵柱、橫撐和縱撐的局部振動；3）附加質(zhì)量對結(jié)構(gòu)低價頻率影響較小，各階振型基本保持不變。施加順?biāo)飨蚋郊淤|(zhì)量對結(jié)構(gòu)第一階頻率影響僅為2.9%；施加橫水流向附加質(zhì)量后，結(jié)構(gòu)低階頻率基本不變，前三階頻率不變，第四階頻率略有降低；4）附加質(zhì)量對結(jié)構(gòu)高價頻率影響比較明顯，即附加質(zhì)量對攔污柵框架的局部振動影響較大。

施工期結(jié)構(gòu)自振頻率 運(yùn)行期結(jié)構(gòu)自振頻率

表1 不同工況下的結(jié)構(gòu)自振頻率

4 地震反應(yīng)計算結(jié)果

振型分解反應(yīng)譜法是各國抗震規(guī)范中建議的一種主要抗震分析方法。根據(jù)振型分解法，結(jié)構(gòu)在任一時刻所受的地震作用為該時刻各振型地震作用的線性疊加。但是當(dāng)某一時刻的某一振型的地震作用以及由此產(chǎn)生的效應(yīng)達(dá)到最大值時，其他振型的地震作用以及由此產(chǎn)生的效應(yīng)不一定是最大值。因此，若利用各振型的地震效應(yīng)峰值來總合成結(jié)構(gòu)總的地震效應(yīng)，則需要研究陣型組合的問題。由分析可知，當(dāng)?shù)卣饡r地面運(yùn)動為平穩(wěn)隨機(jī)過程時，對于各平動振型產(chǎn)生的地震效應(yīng)可近似地采用下列“平方和開方”法確定：

式中：Sm-m振型地震作用產(chǎn)生的作用效應(yīng)，其包括內(nèi)力和變形。

4.1 地震反應(yīng)位移

由于篇幅有限，表二給出了單獨(dú)地震順?biāo)飨蛩脚c垂直地震組合（工況1）和單獨(dú)地震橫水流向水平與垂直地震組合（工況2）激勵下攔污柵框架上柵柱、縱撐、橫撐和胸墻順?biāo)飨蛭灰祈憫?yīng)峰值。由表二可知攔污柵框架順?biāo)飨蜃畲笏轿灰芔X發(fā)生在柵柱頂部和胸墻頂部，最大值為11.28mm。因此，攔污柵框架頂部胸墻與塔身相連，形成整體后，極大地增大了攔污柵框架與塔身的整體性，有益抵抗橫水流向和順?biāo)飨虻乃降卣鸺睢?/p>

表2 攔污柵框架順?biāo)飨蛩轿灰芔X峰值表（mm）

4.2 地震反應(yīng)應(yīng)力

總的來看，在工況1中，縱撐和柵柱上的拉應(yīng)力峰值要明顯大于橫撐上的拉應(yīng)力峰值。在工況2中，前橫撐上的橫河向正拉應(yīng)力峰值最大，達(dá)到6.025MPa。計算結(jié)果表明：在工況1中，建基面、底板、喇叭口上唇和塔背部分混凝土的垂直向拉應(yīng)相對較大；其中，底板垂直向的拉應(yīng)力達(dá)到2.629MPa，是塔身中混凝土拉應(yīng)力最高的部位，表明塔身對垂直向地震的響應(yīng)比較敏感。同一條件下，檢修門槽、工作門槽和通氣孔部分混凝土普遍相對較低，孔邊動應(yīng)力集中程度不明顯。在工況2中，底板、喇叭口上唇、工作門槽和塔背部分混凝土的垂直向和橫水流向水平拉應(yīng)力均相對較大；其中，由于回填混凝土對塔身的約束，塔背的垂直向拉應(yīng)力達(dá)到2.159MPa，是塔身中混凝土拉應(yīng)力最高的部位；同樣表現(xiàn)出底板對垂直向地震的響應(yīng)比較敏感。工作門槽孔處的垂直向和橫水流向拉應(yīng)力峰值分別達(dá)到1.654MPa和1.821MPa，喇叭口上唇動應(yīng)力集中程度較明顯，其橫水流向拉應(yīng)力峰值達(dá)到2.070MPa。

5 主要結(jié)論和建議

1）在地震激勵下，進(jìn)水口塔身結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形較小，表明塔身已經(jīng)具備相當(dāng)?shù)目拐鹦阅?。但攔污柵框架上的水平橫撐和縱撐出現(xiàn)較大的拉應(yīng)力，是整個進(jìn)水口結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計的控制條件。根本原因還是地震設(shè)計加速度值高，塔身與攔污柵框架連接部位的水平橫撐和縱撐成為體系中的薄弱環(huán)節(jié)；2）橫水流向地震對進(jìn)水口結(jié)果的作用效應(yīng)要比順?biāo)飨虻淖饔眯?yīng)明顯，而垂直向地震對底板的作用效應(yīng)比較明顯；3）計算中考慮了機(jī)組單元的橫縫灌漿，應(yīng)是一種工程抗震措施，實際情況下機(jī)組單元之間的相互約束沒有計算模型理想；4）塔背回填混凝土、機(jī)組之間的灌漿可以比較有效地使進(jìn)水口結(jié)構(gòu)加強(qiáng)聯(lián)系，是可行的抗震工程措施，建議設(shè)計中應(yīng)對施工質(zhì)量提出具體要求，使結(jié)構(gòu)實際狀態(tài)與有限元分析模型相一致；5）基巖條件對流道底板、建基面順?biāo)飨蚺c橫水流向水平拉應(yīng)力峰值和作用范圍影響比較明顯；置換混凝土基礎(chǔ)對降低流道底板、建基面的拉應(yīng)力有效；置換混凝土基礎(chǔ)后，也可以降低流道底板、建基面順?biāo)飨蚺c橫水流向水平拉應(yīng)力峰值和作用范圍，但對結(jié)構(gòu)動力特性影響甚微，對改善結(jié)構(gòu)抗震性能作用不大。

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