基于反應(yīng)譜和時(shí)程法的深孔放空洞進(jìn)水塔三維有限元?jiǎng)恿Ψ治?/h1>
2014-08-21 07:36:52吳建興韓俊嶺
河南水利與南水北調(diào) 2014年20期
□ 吳建興 □ 韓俊嶺
（1河南天禹水利工程建設(shè)有限責(zé)任公司 2河南五建建設(shè)集團(tuán)有限公司）
1 工程概況
某水電站位于雅礱江干流上，以發(fā)電為主，并具有蓄水蓄能、分擔(dān)長(zhǎng)江中下游防洪任務(wù)、改善長(zhǎng)江航道枯水期航運(yùn)條件的功能和作用。電站采用壩式開發(fā)，壩型為礫石土心墻堆石壩，最大壩高達(dá)305m，居世界同類壩型前列。
放空洞和后期導(dǎo)流洞結(jié)合，布置于河道左岸砂板巖體內(nèi)，洞線順直。放空洞由進(jìn)口、無壓隧洞段、出口挑坎段等組成。放空洞進(jìn)水塔底高程為2745m，建基面高程為2739m，塔頂高程為2875m，進(jìn)水塔塔體尺寸為55m×24m×136m（長(zhǎng)×寬×高），基礎(chǔ)置于Ⅲ2類巖體上面。進(jìn)水塔內(nèi)設(shè)事故檢修閘門二道，工作閘門一道，事故檢修閘門尺寸為7m×13m（寬×高）,工作閘門尺寸為7m×11.50m（寬×高）。隧洞為無壓明流洞，長(zhǎng)度約1355m，斷面形式為圓拱直墻型，底寬10m，高約14m，出口采用挑流消能。
本工程地震基本烈度為Ⅶ度，深孔放空洞進(jìn)水塔體高度為136m，對(duì)于這樣的高烈度地震區(qū)的高塔體結(jié)構(gòu)，僅依靠簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算無法準(zhǔn)確地描述出塔體內(nèi)部的應(yīng)力及位移的分布情況。因此，有必要對(duì)該水電站深孔放空洞進(jìn)水塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元?jiǎng)恿Ψ治鲅芯?，以評(píng)價(jià)進(jìn)水塔體結(jié)構(gòu)的抗震安全性，推薦抗震安全的結(jié)構(gòu)措施，探討優(yōu)化塔體體型的可能性，使進(jìn)水塔體達(dá)到技術(shù)可行、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。放空洞動(dòng)力計(jì)算分別采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。
2 有限元模型
有限元計(jì)算模型包括進(jìn)水塔塔身整體結(jié)構(gòu)以及相應(yīng)的巖石基礎(chǔ)。塔體和基巖均按照六/五面體8/6節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元離散，按照真實(shí)設(shè)計(jì)尺寸建立有限元模型；考慮基巖各地層風(fēng)化條件、施工開挖的強(qiáng)弱卸載條件影響。網(wǎng)格剖分注意混凝土結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，在喇叭口頂板、底板、檢修門井、工作門井周邊、工作弧門支座、漸變段、建基面等孔洞周邊和截面發(fā)生突變的部位適當(dāng)加密。
放空洞進(jìn)水塔塔身混凝土結(jié)構(gòu)有限元單元剖分計(jì)算模型見圖1。
圖1 有限元模型材料分區(qū)圖
3 振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果
進(jìn)水塔地震動(dòng)力響應(yīng)應(yīng)力分析考慮100年超越概率2%設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜設(shè)防等級(jí)。采用振型分解反應(yīng)譜方法進(jìn)行有限元分析。
由計(jì)算成果可知，水平順河向與垂直地震聯(lián)合作用的工況，動(dòng)力響應(yīng)以激勵(lì)方向即水平順河向與垂直向?yàn)橹鳎瓚?yīng)力以豎向正應(yīng)力σy為主，最大值發(fā)生在塔背與塔背回填混凝土接觸處（約2820.00m高程），水平順河向拉應(yīng)力σx峰值也出現(xiàn)在該處。但是它們的影響范圍均比較小，衰減很快。水平橫河向拉應(yīng)力σz峰值發(fā)生在流道周邊等，為幾何突變處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
水平橫河向與垂直地震聯(lián)合作用的工況，動(dòng)力響應(yīng)也以激勵(lì)方向即水平橫河向與垂直向?yàn)橹?，拉?yīng)力以垂直向正應(yīng)力σy為主，最大值發(fā)生在塔體與塔身左側(cè)回填混凝土相接觸的地方（約2805.00m高程）。但其影響范圍較小，衰減很快。在塔體左側(cè)2795～2805m高程，水平橫河向正應(yīng)力σz與順河向正應(yīng)力σx也出現(xiàn)了比較大的拉應(yīng)力值。但水平橫河向拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作弧門閘室支撐與邊墻相連接的幾何突變處，為應(yīng)力集中現(xiàn)象。
4 時(shí)程法計(jì)算結(jié)果
進(jìn)水塔在地震作用下其重要部位的應(yīng)力動(dòng)力響應(yīng)峰值及發(fā)生的時(shí)間見表1。
表1 地震激勵(lì)下進(jìn)水塔重要部位應(yīng)力峰值表
從計(jì)算結(jié)果可知:動(dòng)力時(shí)程分析的應(yīng)力成果基本規(guī)律與反應(yīng)譜的成果基本一致。水平順河向正應(yīng)力σx與豎向正應(yīng)力σy的高應(yīng)力區(qū)主要分布在塔背和兩側(cè)邊墻，特別是回填混凝土與塔身接觸的部位，拉應(yīng)力峰值一般出現(xiàn)在這些地方。且豎向正應(yīng)力σy的高拉應(yīng)力區(qū)域較大。水平橫河向正應(yīng)力σz的高拉應(yīng)力區(qū)主要分布在喇叭口上唇和流道底板的前端，其余部位，σz一般不超過0.50MPa。底板豎向正應(yīng)力σy的值一般不超過0.50MPa，峰值出現(xiàn)在前端邊墻與底板相貫處，為幾何突變處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，衰減較快，高拉應(yīng)力值分布的范圍很小。建基面巖石上未出現(xiàn)豎向的拉應(yīng)力。
5 結(jié)論
利用反應(yīng)譜方法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，塔體背部與回填混凝土接觸的部位出現(xiàn)了比較高的順河向及豎向拉應(yīng)力值。高拉應(yīng)力值與線性材料模型的假定有關(guān)。高應(yīng)力區(qū)主要分布在塔背回填混凝土接觸部位、門槽、喇叭口上唇、流道周邊表面以及弧門支座處。這些部位局部需要加強(qiáng)配筋。
由于反應(yīng)譜方法是按最大地震作用計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，得到的應(yīng)力值偏大且均為正值，導(dǎo)致與靜力計(jì)算的結(jié)果疊加以后建基面巖石局部出現(xiàn)微拉應(yīng)力值。動(dòng)力時(shí)程分析可以克服這個(gè)缺陷，時(shí)程分析中建基面巖石上未出現(xiàn)拉應(yīng)力。
建基面巖石壓應(yīng)力較小，壓應(yīng)力峰值不超過0.50MPa，對(duì)塔體的基礎(chǔ)承載力有益。地震激勵(lì)作用下動(dòng)力響應(yīng)有明顯的局部性，塔體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位如:塔背、喇叭口上唇、弧門支座以及閘室邊墻的拉應(yīng)力峰值相對(duì)較高，是抗震設(shè)防的主要部位。
[1]李付長(zhǎng).白龜山水庫(kù)堤壩地震可液化地基的抗震處理[J].人民黃河,2010,32（7）:116-119.
[2]費(fèi)康.ABAQUS軟件在高進(jìn)水塔動(dòng)力分析中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2008,6（4）:10-12.
[3]姜燕,樂金朝.動(dòng)水動(dòng)土共同作用下重力壩的地震響應(yīng)分析[J].人民黃河,2010,32（2）:105-108.
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□ 吳建興 □ 韓俊嶺
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某水電站位于雅礱江干流上，以發(fā)電為主，并具有蓄水蓄能、分擔(dān)長(zhǎng)江中下游防洪任務(wù)、改善長(zhǎng)江航道枯水期航運(yùn)條件的功能和作用。電站采用壩式開發(fā)，壩型為礫石土心墻堆石壩，最大壩高達(dá)305m，居世界同類壩型前列。
放空洞和后期導(dǎo)流洞結(jié)合，布置于河道左岸砂板巖體內(nèi)，洞線順直。放空洞由進(jìn)口、無壓隧洞段、出口挑坎段等組成。放空洞進(jìn)水塔底高程為2745m，建基面高程為2739m，塔頂高程為2875m，進(jìn)水塔塔體尺寸為55m×24m×136m（長(zhǎng)×寬×高），基礎(chǔ)置于Ⅲ2類巖體上面。進(jìn)水塔內(nèi)設(shè)事故檢修閘門二道，工作閘門一道，事故檢修閘門尺寸為7m×13m（寬×高）,工作閘門尺寸為7m×11.50m（寬×高）。隧洞為無壓明流洞，長(zhǎng)度約1355m，斷面形式為圓拱直墻型，底寬10m，高約14m，出口采用挑流消能。
本工程地震基本烈度為Ⅶ度，深孔放空洞進(jìn)水塔體高度為136m，對(duì)于這樣的高烈度地震區(qū)的高塔體結(jié)構(gòu)，僅依靠簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算無法準(zhǔn)確地描述出塔體內(nèi)部的應(yīng)力及位移的分布情況。因此，有必要對(duì)該水電站深孔放空洞進(jìn)水塔體結(jié)構(gòu)進(jìn)行三維有限元?jiǎng)恿Ψ治鲅芯?，以評(píng)價(jià)進(jìn)水塔體結(jié)構(gòu)的抗震安全性，推薦抗震安全的結(jié)構(gòu)措施，探討優(yōu)化塔體體型的可能性，使進(jìn)水塔體達(dá)到技術(shù)可行、結(jié)構(gòu)安全、經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最優(yōu)。放空洞動(dòng)力計(jì)算分別采用振型分解反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法。
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3 振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果
進(jìn)水塔地震動(dòng)力響應(yīng)應(yīng)力分析考慮100年超越概率2%設(shè)計(jì)地震動(dòng)反應(yīng)譜設(shè)防等級(jí)。采用振型分解反應(yīng)譜方法進(jìn)行有限元分析。
由計(jì)算成果可知，水平順河向與垂直地震聯(lián)合作用的工況，動(dòng)力響應(yīng)以激勵(lì)方向即水平順河向與垂直向?yàn)橹鳎瓚?yīng)力以豎向正應(yīng)力σy為主，最大值發(fā)生在塔背與塔背回填混凝土接觸處（約2820.00m高程），水平順河向拉應(yīng)力σx峰值也出現(xiàn)在該處。但是它們的影響范圍均比較小，衰減很快。水平橫河向拉應(yīng)力σz峰值發(fā)生在流道周邊等，為幾何突變處的應(yīng)力集中現(xiàn)象。
水平橫河向與垂直地震聯(lián)合作用的工況，動(dòng)力響應(yīng)也以激勵(lì)方向即水平橫河向與垂直向?yàn)橹?，拉?yīng)力以垂直向正應(yīng)力σy為主，最大值發(fā)生在塔體與塔身左側(cè)回填混凝土相接觸的地方（約2805.00m高程）。但其影響范圍較小，衰減很快。在塔體左側(cè)2795～2805m高程，水平橫河向正應(yīng)力σz與順河向正應(yīng)力σx也出現(xiàn)了比較大的拉應(yīng)力值。但水平橫河向拉應(yīng)力峰值出現(xiàn)在工作弧門閘室支撐與邊墻相連接的幾何突變處，為應(yīng)力集中現(xiàn)象。
4 時(shí)程法計(jì)算結(jié)果
進(jìn)水塔在地震作用下其重要部位的應(yīng)力動(dòng)力響應(yīng)峰值及發(fā)生的時(shí)間見表1。
表1 地震激勵(lì)下進(jìn)水塔重要部位應(yīng)力峰值表
從計(jì)算結(jié)果可知:動(dòng)力時(shí)程分析的應(yīng)力成果基本規(guī)律與反應(yīng)譜的成果基本一致。水平順河向正應(yīng)力σx與豎向正應(yīng)力σy的高應(yīng)力區(qū)主要分布在塔背和兩側(cè)邊墻，特別是回填混凝土與塔身接觸的部位，拉應(yīng)力峰值一般出現(xiàn)在這些地方。且豎向正應(yīng)力σy的高拉應(yīng)力區(qū)域較大。水平橫河向正應(yīng)力σz的高拉應(yīng)力區(qū)主要分布在喇叭口上唇和流道底板的前端，其余部位，σz一般不超過0.50MPa。底板豎向正應(yīng)力σy的值一般不超過0.50MPa，峰值出現(xiàn)在前端邊墻與底板相貫處，為幾何突變處的應(yīng)力集中現(xiàn)象，衰減較快，高拉應(yīng)力值分布的范圍很小。建基面巖石上未出現(xiàn)豎向的拉應(yīng)力。
5 結(jié)論
利用反應(yīng)譜方法進(jìn)行動(dòng)力響應(yīng)分析時(shí)，塔體背部與回填混凝土接觸的部位出現(xiàn)了比較高的順河向及豎向拉應(yīng)力值。高拉應(yīng)力值與線性材料模型的假定有關(guān)。高應(yīng)力區(qū)主要分布在塔背回填混凝土接觸部位、門槽、喇叭口上唇、流道周邊表面以及弧門支座處。這些部位局部需要加強(qiáng)配筋。
由于反應(yīng)譜方法是按最大地震作用計(jì)算結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)，得到的應(yīng)力值偏大且均為正值，導(dǎo)致與靜力計(jì)算的結(jié)果疊加以后建基面巖石局部出現(xiàn)微拉應(yīng)力值。動(dòng)力時(shí)程分析可以克服這個(gè)缺陷，時(shí)程分析中建基面巖石上未出現(xiàn)拉應(yīng)力。
建基面巖石壓應(yīng)力較小，壓應(yīng)力峰值不超過0.50MPa，對(duì)塔體的基礎(chǔ)承載力有益。地震激勵(lì)作用下動(dòng)力響應(yīng)有明顯的局部性，塔體結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位如:塔背、喇叭口上唇、弧門支座以及閘室邊墻的拉應(yīng)力峰值相對(duì)較高，是抗震設(shè)防的主要部位。
[1]李付長(zhǎng).白龜山水庫(kù)堤壩地震可液化地基的抗震處理[J].人民黃河,2010,32（7）:116-119.
[2]費(fèi)康.ABAQUS軟件在高進(jìn)水塔動(dòng)力分析中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2008,6（4）:10-12.
[3]姜燕,樂金朝.動(dòng)水動(dòng)土共同作用下重力壩的地震響應(yīng)分析[J].人民黃河,2010,32（2）:105-108.
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