水電站進(jìn)水塔三維有限元靜動(dòng)力分析

劉 曜

（1.西安理工大學(xué)西北旱區(qū)生態(tài)水利工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室培育基地 陜西 西安 710048；2.上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院四川分公司 四川 成都 200434）

某電站進(jìn)水口位于右壩肩上游，為直立式岸塔進(jìn)水口，進(jìn)水口前沿寬度23.5m，進(jìn)口寬20.5m，共分4孔，每孔布置主副攔污柵兩道。進(jìn)水口上下游方向總長(zhǎng)為20m，分為兩段：攔污柵段和閘門段。在進(jìn)水口平臺(tái)上設(shè)置一臺(tái)320kN雙向門式起重機(jī)及2500kN固定卷?yè)P(yáng)機(jī)，分別用于攔污柵和電站進(jìn)水口事故檢修閘門的啟閉。進(jìn)水塔頂部高程為805.0m，進(jìn)水口底板高程775m，滿足死水位時(shí)發(fā)電要求。進(jìn)水口閘門井段設(shè)1扇事故檢修閘門（寬9.0m×高9.5m）,閘門段后緊接15m長(zhǎng)的漸變段引水洞。

1 計(jì)算模型

采用ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)進(jìn)水塔進(jìn)行靜動(dòng)力分析。塔體、地基、攔污柵框架均用六面或四面體、五面體塊單元模擬；地基接觸面用接觸單元模擬。網(wǎng)格離散如圖1。模型單元數(shù)：254823；節(jié)點(diǎn)數(shù)：107494。

進(jìn)水塔與地基間的動(dòng)力相互作用對(duì)進(jìn)水塔的地震反應(yīng)有一定影響。在地震反應(yīng)分析中，以無(wú)質(zhì)量地基底部均勻輸入的方式考慮地基與塔體的動(dòng)力相互作用和地震動(dòng)的輸入。為此，在有限元法的計(jì)算中，取下游、左右及深度方向約為1倍塔高范圍的無(wú)質(zhì)量地基，以反映地基彈性影響。模型中的x軸指向下游，y軸指向左岸，z軸指豎直向上。對(duì)計(jì)算模型施加邊界約束和荷載。在地基底部施加三向約束，地基上、下游面及左、右側(cè)面施加法向連桿約束。

圖1 模型整體網(wǎng)格離散

庫(kù)水對(duì)塔體地震反應(yīng)的影響有一定的影響。本次計(jì)算采用水工建筑物抗震規(guī)范第10.1.6條給定的方法確定附加質(zhì)量，體現(xiàn)庫(kù)水和閘室內(nèi)水體的動(dòng)力影響。

圖2 塔體部分網(wǎng)格離散

2 計(jì)算荷載及計(jì)算工況

計(jì)算中需考慮以下荷載：自重、靜水壓力、動(dòng)水壓力、揚(yáng)壓力、地震力、浪壓力。各項(xiàng)荷載按《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5077-1997）以及《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（DL5073-2000）進(jìn)行考慮并施加到模型相應(yīng)的位置。

計(jì)算地震分別考慮順?biāo)骱痛怪彼鲀蓚€(gè)方向的地震作用。地震作用效應(yīng)采用振型分解反應(yīng)譜法。本分析計(jì)算取I類場(chǎng)地、反應(yīng)譜特征周期Tg=0.21s，反應(yīng)譜最大值的代表值βmax=2.25的巖基標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜進(jìn)行。

靜力分析工況及荷載組合見表1。

動(dòng)力分析計(jì)算工況：工況6順?biāo)飨虻卣鹱饔茫汗r7垂直水流方向地震作用。

表1 計(jì)算分析工況及荷載組合

3 計(jì)算成果與分析

本文采用三維有限元方法分別對(duì)工況1～工況7的應(yīng)力和位移進(jìn)行了計(jì)算，限于篇幅不再一一贅述，只給出部分計(jì)算結(jié)果。

3.1 自振特性分析

地震作用的動(dòng)力分析采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行，參與振型取前20階。篇幅原因表2分別列出進(jìn)水塔前8階自振頻率及周期，空庫(kù)是指不考慮水體的影響，滿庫(kù)是指考慮塔體周圍和塔內(nèi)水體附加質(zhì)量的影響。

第一振型以垂直于水流方向振動(dòng)為主，第二振型以順?biāo)鞣较驗(yàn)橹鳎偟膩?lái)說(shuō)，沿各個(gè)方向（包括繞三個(gè)軸的轉(zhuǎn)動(dòng)）的振型相應(yīng)的頻率較分散，反應(yīng)了進(jìn)水塔設(shè)計(jì)斷面沿高度的質(zhì)量、剛度分布均勻性較好，具有良好振動(dòng)特性。進(jìn)水塔前兩階示意圖見圖3和圖4。

圖3 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的第1階振型圖

圖4 進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的第1階振型圖

表2 進(jìn)水塔自振頻率

3.2 位移分析

各工況下位移成果詳見表3。

表3 各工況下位移成果

在靜荷載作用下，進(jìn)水塔的總體位移最大值為3.4mm，發(fā)生在工況4；在動(dòng)靜荷載作用下，總體位移為5.5mm?？傮w上說(shuō)，塔體的整體變形不大。塔體門槽的位移較小，不會(huì)影響閘門的正常工作。因此，塔體結(jié)構(gòu)的總體布置基本合理。

3.3 應(yīng)力分析

在邊墩和中墩外側(cè)面上部有一定范圍的主拉應(yīng)力區(qū)，除應(yīng)力集中區(qū)以外，其值在0.5MPa至0.8MPa之間。在動(dòng)靜荷載作用下，中墩外側(cè)面上攔污柵閘槽位置附近，有較大的主拉應(yīng)力區(qū)，其最大值為1.0MPa；在橫梁端部與邊墩、中墩交界處產(chǎn)生局部拉應(yīng)力區(qū)，特別是在地震，垂直水流方向地震作用下，其最大值為4MPa。

塔體前部橫梁中部下方受較大的拉應(yīng)力，最大值為1.25MPa，發(fā)生在地震工況；在橫梁與中墩交界處產(chǎn)生較大的局部拉應(yīng)力最大值約為3.77MPa。

4 結(jié)論

（1）在建基面上沿Z方向的正應(yīng)力基本上為壓應(yīng)力，其大小呈上游較小，下游較大，其抗滑穩(wěn)定性的分析結(jié)果表明，塔體的穩(wěn)定性符合規(guī)范要求。

（2）模態(tài)分析結(jié)果表明，進(jìn)水塔在塔體受到水平向地震荷載作用時(shí)，塔體明顯出現(xiàn)拉應(yīng)力，應(yīng)適當(dāng)增加鋼筋量，承擔(dān)地震荷載拉應(yīng)力。

（3）塔體中心偏前，靜荷載作用下塔體有前傾的位移趨勢(shì)。

（4）塔體的綜合應(yīng)力不很大。按有限元法計(jì)算，在塔身與事故閘門槽交匯處附近胸墻板出現(xiàn)了較大拉應(yīng)力，主要是出現(xiàn)在邊緣應(yīng)力集中區(qū)，且范圍很小。陜西水利

[1]陳厚群．進(jìn)水塔的抗震設(shè)計(jì)[J].水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化，1998,（1）：53～65．

[2]王呼佳，陳洪軍．ANSYS工程分析進(jìn)階實(shí)例[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，2006 136-155．

[3]楊樂(lè)，王海軍，趙典申．高聳岸塔式進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)動(dòng)靜力特性仿真分析[J].水力發(fā)電2011,37（5）:25～28．