基巖劣化對進水塔結(jié)構整體失穩(wěn)影響研究

韓俊嶺 吳建興

(1.河南五建建設集團有限公司，河南 鄭州 450045； 2.河南天禹水利工程建設有限責任公司，河南 信陽 464000)

基巖劣化對進水塔結(jié)構整體失穩(wěn)影響研究

韓俊嶺1吳建興2

(1.河南五建建設集團有限公司，河南 鄭州 450045； 2.河南天禹水利工程建設有限責任公司，河南 信陽 464000)

基于ABAQUS有限元軟件并采用時程分析方法，對三種塔背基巖劣化模型進行數(shù)值模擬，計算結(jié)果表明隨著巖石劣化程度增加，塔體穩(wěn)定性逐漸削弱，塑性區(qū)逐漸增加，塔體及基巖應力也逐漸增大。

進水塔，基巖劣化，數(shù)值模擬，時程分析

0 引言

我國西南強地震高發(fā)區(qū)域正規(guī)劃、設計或開工建設一批高壩大庫型水電工程項目，研究強地震激勵作用下高進水塔的力學行為和結(jié)構性能、選擇合理高效的數(shù)值分析方法、建立結(jié)構安全評價準則已經(jīng)成為這類水工建筑物設計中至關重要的關鍵技術[1-3]。對于這樣的高烈度地震區(qū)的高塔體結(jié)構，需研究基巖性狀對進水塔結(jié)構抗震性能的影響，以評價進水塔體結(jié)構的抗震安全性，有限元動力計算采用時程分析法探討基巖劣化對進水塔結(jié)構整體失穩(wěn)的影響。

1 有限元模型

通過基巖參數(shù)劣化數(shù)值模擬，研究對進水塔結(jié)構整體失穩(wěn)影響。對基巖采用DP非線性本構模型進行分析，分別采用三種不同基巖參數(shù)計算模型，基巖關鍵參數(shù)如表1所示，其中模型1為正?；鶐r參數(shù)，模型2和模型3為基巖逐漸劣化的計算參數(shù)，其中模型3巖石劣化程度最大。采用時程分析計算進水塔的整體失穩(wěn)影響，時程分析有限元模型如圖1所示。

表1 3種不同計算模型基巖參數(shù)表

2 數(shù)值模擬

塔背基巖接觸部位是應力集中區(qū)域，本節(jié)研究塔背基巖劣化對該部位塑性應變的影響。計算結(jié)果為時程分析結(jié)果。圖2～圖4為塔背順河向、豎向和橫河向三個方向塑性應變計算結(jié)果。

由塔背基巖三個方向塑性應變計算結(jié)果可知，在塔背基巖沒有劣化之前，由于該部位為應力集中區(qū)域，基巖已經(jīng)出現(xiàn)塑性應變，但較后兩種劣化模型的塑性應變明顯小很多，其中順河向和豎向塑性應變模型1約為模型2和模型3的20%，橫河向塑性應變模型3為模型1和模型2的數(shù)倍。計算結(jié)果表明，基巖劣化會導致塔背應力集中區(qū)域的基巖出現(xiàn)更大的塑性應變，當變形過大會導致裂紋的產(chǎn)生及擴展，使得塔背基巖與塔身脫離，如果此時建基面基巖塑性應變也較大，進水塔有向上游傾覆的可能，導致發(fā)生整體失穩(wěn)。

圖5～圖7為塔背順河向、豎向和橫河向三個方向應力計算結(jié)果。

由塔背基巖三個方向正應力計算結(jié)果可知，在塔背基巖沒有劣化之前，由于該部位為應力集中區(qū)域，基巖已經(jīng)出現(xiàn)塑性應變，基巖在開始階段承受一定的拉應力，隨著塑性應變的增加以及裂紋的出現(xiàn)，基巖逐步只能承受壓應力。隨著基巖的不斷劣化，塔背基巖塑性應變不斷增加，其承受的壓應力也逐漸增大。其中模型3壓應力最大，模型2其次，模型1最小，模型2和模型3的壓應力為模型1的3倍左右。

計算結(jié)果表明，在地震荷載作用的初始階段，三種模型塔背基巖所承受的拉應力基本相當，隨著地震荷載強度的增加，塔背基巖塑性應變增大直至出現(xiàn)裂紋，因此基巖劣化會導致塔背接觸部位的基巖壓應力顯著增加。

3 結(jié)語

采用DP非線性模型模擬在地震荷載作用下基巖劣化對進水塔結(jié)果整體失穩(wěn)的影響，由計算結(jié)果可以得到以下幾個結(jié)論：

1)由塔背基巖三個方向塑性應變計算結(jié)果可知，在塔背基巖沒有劣化之前，由于該部位為應力集中區(qū)域，基巖已經(jīng)出現(xiàn)塑性應變，但較后兩種劣化模型的塑性應變明顯小很多，其中順河向和豎向塑性應變模型1約為模型2和模型3的20%?；鶐r劣化會導致塔背應力集中區(qū)域的基巖出現(xiàn)更大的塑性應變，當變形過大會導致裂紋的產(chǎn)生及擴展，使得塔背基巖與塔身脫離。

2)由塔背基巖三個方向正應力計算結(jié)果可知，在塔背基巖沒有劣化之前，由于該部位為應力集中區(qū)域，基巖已經(jīng)出現(xiàn)塑性應變，基巖在開始階段承受一定的拉應力，隨著塑性應變的增加以及裂紋的出現(xiàn)，基巖逐步只能承受壓應力。隨著基巖的不斷劣化，塔背基巖塑性應變不斷增加，其承受的壓應力也逐漸增大。其中模型3壓應力最大，模型2其次，模型1最小，模型2和模型3的壓應力為模型1的3倍左右。

3)岸塔式進水塔依靠自重和塔背巖體支撐共同維持穩(wěn)定，只要岸塔式進水塔基底應力在巖體的允許應力范圍之內(nèi)，塔體就不致發(fā)生整體失穩(wěn)。隨著基巖的不斷劣化，基巖出現(xiàn)塑性應變，由于此時塔背接觸部位應變較大，已經(jīng)出現(xiàn)裂紋甚至導致塔背基巖與塔身的分離，進水塔就會產(chǎn)生向上游的傾覆，發(fā)生整體失穩(wěn)。

[1] 李山有，廖振鵬.地震體波斜入射情形下臺階地形引起的波型轉(zhuǎn)換[J].地震工程與工程振動，2002，22(4)：9-15.

[2] 李付長.白龜山水庫堤壩地震可液化地基的抗震處理[J].人民黃河，2010，32(7)：116-119.

[3] 費 康.ABAQUS軟件在高進水塔動力分析中的應用[J].水利與建筑工程學報，2008，6(4)：10-12.

Research on bedrock degradation effect on stability of the intake tower

HAN Jun-ling1WU Jian-xing2

(1.HenanWujianConstructionGroupCo.,Ltd，Zhengzhou450045,China；2.HenanTianyuHydraulicEngineeringConstructionCo.,Ltd,Xinyang464000,China)

Based on ABAQUS software, time history method is used to analysis structure mechanical characteristics with three bedrock degradation model. The numerical simulation results show that with the increase of the rock degradation, stability of tower body gradually weakened and the plastic zone increases gradually， tower body and bedrock increases gradually.

intake tower， bedrock degradation， numerical simulation， time history method

1009-6825(2014)30-0058-03

2014-08-14

韓俊嶺(1979- )，男，工程師； 吳建興(1971- )，男，工程師

TU311.2

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