高聳進(jìn)水塔攔污柵墩連系梁結(jié)構(gòu)體系的抗震分析

李子民， 李守義， 田 超， 王 博， 趙 洋， 楊 勇

(西安理工大學(xué)， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

在水利樞紐工程中，引水、泄水建筑物的進(jìn)水口具有舉足輕重的地位[1]。近年來(lái)，隨著我國(guó)筑壩技術(shù)[2-3]快速發(fā)展，大批70 m級(jí)以上的水電站高聳進(jìn)水塔相繼建成。由于進(jìn)水塔體型結(jié)構(gòu)及其受力情況非常復(fù)雜且大部分結(jié)構(gòu)修筑在水中，若產(chǎn)生破壞，不僅維修困難，還會(huì)導(dǎo)致整個(gè)水利樞紐不能正常運(yùn)行。因此對(duì)高聳進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真分析和抗震研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[4-7]。

水電站進(jìn)水口一般在進(jìn)口段設(shè)有攔污柵，而攔污柵墩的剛度小，穩(wěn)定性差[8]，工程中常通過(guò)設(shè)置連系梁來(lái)增加攔污柵墩及其附屬結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和整體性。常見的高聳進(jìn)水塔多為單薄的筒式或者箱式結(jié)構(gòu)，在地震過(guò)程中容易產(chǎn)生變形和破壞，特別是進(jìn)水塔的連系梁部位在地震工況下容易產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力。如何減輕連系梁的破壞程度成為一個(gè)關(guān)鍵的問(wèn)題。Aulay P T和Binney J R提出連系梁斜對(duì)角交叉配筋結(jié)構(gòu)，但限于配筋成本高，施工難度大等原因，在國(guó)內(nèi)并未得到推廣。曹征良[9]認(rèn)為將連系梁用縱向水平縫分成上、下兩個(gè)相同的構(gòu)件，在跨度中部用混凝土鍵聯(lián)系，在地震作用下混凝土鍵逐步裂開可以有效的耗散地震能量，這種抗震連系梁在國(guó)內(nèi)多種高層住宅[10]、酒店工程[11]中應(yīng)用較廣。宋珊珊[12]提出在連系梁間增加從上層連系梁前下部延伸至底層連系梁后上部的斜拉梁結(jié)構(gòu)，可以明顯提高連系梁整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，有效限制裂縫的發(fā)展，但材料成本大大增加。

鑒于高聳進(jìn)水塔攔污柵墩連系梁的相關(guān)文獻(xiàn)較少，現(xiàn)有連系梁的研究多基于高層房屋建筑工程，盡管可以為高聳進(jìn)水塔連系梁的設(shè)計(jì)所參考，但由于進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)區(qū)別于一般意義上的高層結(jié)構(gòu)，其自身具有特殊性，因此需要對(duì)其穩(wěn)定性及整體性進(jìn)行專項(xiàng)研究。本文依托于某實(shí)際工程，采用反應(yīng)譜法[13-14]，研究連系梁結(jié)構(gòu)在不同的截面尺寸條件下，進(jìn)水塔連系梁及相關(guān)部位的動(dòng)力響應(yīng)，并提出合理的設(shè)計(jì)尺寸，以期為高聳進(jìn)水塔的連系梁結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)提供參考。

2 工程概況

某大型水利樞紐工程，主要建筑物為1級(jí)建筑物，進(jìn)水塔底板高程為507.00 m，頂部高程為582.20 m，最大塔高75.2 m，塔寬37.9 m(垂直水流方向)，塔長(zhǎng)30 m(順?biāo)鞣较?。塔體入口處分為5段，每段入口處都有5.0 m×72.7 m(寬×高)的攔污柵墩。在垂直水流方向每個(gè)攔污柵墩之間布有橫梁做連接，在順?biāo)鞣较蛎總€(gè)攔污柵墩與進(jìn)水塔上游胸墻之間布有縱梁做連接，見圖1。

3 計(jì)算模型

3.1 基本假定

(1)假定塔體單元和地基單元選用不同的材料屬性，作為整體研究。

(2)假定塔體和地基的材料均為線彈性，均勻各向同性的連續(xù)體。

(3)假定地基為無(wú)質(zhì)量地基，僅考慮其彈性變形。

3.2 有限元模型

3.2.1 計(jì)算模型范圍 高度方向：向上至塔頂，基礎(chǔ)向下取1.5倍塔高，約110 m；

上、下游及左右岸方向：塔上下游及左右岸各取1.5倍塔高，約110 m；

3.2.2 邊界條件 基礎(chǔ)底面固結(jié)，基礎(chǔ)四周法向約束，塔體與基礎(chǔ)間按連續(xù)單元模擬。

3.2.3 計(jì)算模型的單元?jiǎng)澐?塔體結(jié)構(gòu)網(wǎng)格尺寸控制在1 m以內(nèi)，塔上連系梁的網(wǎng)格尺寸控制在0.1～1 m，基礎(chǔ)網(wǎng)格尺寸控制在5～10 m。

3.2.4 坐標(biāo)系 計(jì)算模型應(yīng)用的坐標(biāo)系：垂直水流為X軸方向，向右岸為正；水流方向?yàn)閅軸方向，向下游為正；沿高度方向?yàn)閆軸方向，向上為正。

塔體和地基均采用solid65實(shí)體單元模擬，單元總數(shù)188 837個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù) 95 936個(gè)。有限元計(jì)算模型如圖2、3所示。

3.3 材料力學(xué)參數(shù)

進(jìn)水塔主體和回填材料均為C30混凝土，彈性模量為23.0 GPa，混凝土容重為25.0 kN/m3，泊松比為0.2。進(jìn)水塔基礎(chǔ)巖石屬于中度風(fēng)化巖，彈性模量為3.75 GPa，泊松比μ為0.28。

3.4 計(jì)算荷載

計(jì)算工況為地震工況(正常使用狀態(tài)+最大可信地震)。計(jì)算荷載：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力+地震力。

地震力的計(jì)算與施加。采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，反應(yīng)譜采用實(shí)地測(cè)量譜，如圖4所示。最大可信地震的地面峰值加速度(PGA)為0.25 g，有效峰值地面加速度為0.1 g。計(jì)算地震動(dòng)水壓力時(shí)僅考慮動(dòng)水的慣性作用，采用附加質(zhì)量[15]模擬。地震動(dòng)水壓力參照EM1110-2-6051通過(guò)公式(1)計(jì)算，地震動(dòng)水壓力計(jì)算示意圖如圖5所示。

(1)

式中：mai為點(diǎn)i處的動(dòng)水壓力附加質(zhì)量，kg；H為水深,m；Zi為點(diǎn)i到壩基的距離,m；Ai為點(diǎn)i處的附屬面積,m2;ρw為水的密度，kg/m3。

4 研究?jī)?nèi)容

采用反應(yīng)譜法對(duì)進(jìn)水塔地震工況下攔污柵墩連系梁截面尺寸進(jìn)行3種方案的計(jì)算對(duì)比研究。進(jìn)水塔關(guān)鍵部位如圖1所示；為便于研究，3種方案均假定橫梁跨度固定為5.5m, 縱梁跨度固定為6m；分別計(jì)算地震工況條件下，3種設(shè)計(jì)方案進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力、變形及其變化規(guī)律。

方案1：橫、縱梁高、寬均為1 m，進(jìn)水塔單一設(shè)置橫(縱)梁。

方案2：縱梁高與寬均為1 m；滿足基本設(shè)計(jì)原則，高不小于寬的要求下，橫梁的寬、高在0.6、0.8、1.0和1.2 m 4種尺寸中相互組合分別計(jì)算。

方案3：橫梁高與寬均為1 m；滿足基本設(shè)計(jì)原則，高不小于寬的要求下，縱梁的寬、高在0.6、0.8、1.0和1.2 m 4種尺寸中相互組合分別計(jì)算。

圖1 進(jìn)水塔關(guān)鍵部位示意圖

圖2 整體有限元模型

圖3 塔體有限元模型

圖4 最大可信地震的譜值

圖5 地震動(dòng)水壓力計(jì)算示意圖

5 計(jì)算結(jié)果及分析

5.1 單一設(shè)置連系梁對(duì)進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力及形變影響

方案1進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力、形變及其變化規(guī)律計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 僅設(shè)置橫梁或縱梁對(duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力的影響

由表1可知，進(jìn)水塔單一設(shè)置橫(縱)梁結(jié)構(gòu)時(shí)，該單一橫(縱)梁結(jié)構(gòu)比原(橫縱梁)結(jié)構(gòu)軸向承受拉應(yīng)力值分別增大83.5%和76.7%；與其相連接的攔污柵墩，最大拉應(yīng)力值分別增大22.1%和1.2%，總體呈增加趨勢(shì)；攔污柵墩X向位移增大52.6%和66.6%，Y向位移減小19.5%和1.5%，總位移整體呈增加趨勢(shì)。計(jì)算結(jié)果表明，增加縱(橫)梁可以有效限制攔污柵墩位移進(jìn)而減少其(攔污柵墩)對(duì)橫(縱)梁的拉應(yīng)力，單一設(shè)置橫(縱)梁結(jié)構(gòu)時(shí)的塔體變形見圖6。

圖6 塔體位移放大圖

5.2 改變橫梁尺寸對(duì)進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力及形變影響

方案2進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力、形變及變化規(guī)律計(jì)算結(jié)果見表2。

表2 不同尺寸橫梁對(duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力的影響

結(jié)合表2數(shù)據(jù)，繪制不同截面尺寸橫梁對(duì)關(guān)鍵部位的應(yīng)力響應(yīng)圖和位移響應(yīng)圖，如圖7～9。以圖7為例，分別沿縱坐標(biāo)刻度線1和橫坐標(biāo)刻度線0.8做延伸線，查詢延伸線交點(diǎn)所在位置的顏色對(duì)應(yīng)應(yīng)力值刻度尺的顏色，即可得到截面尺寸高1 m寬0.8 m的橫梁其軸向拉應(yīng)力的最大值。

由表2與動(dòng)力響應(yīng)圖7～9可知，隨著橫梁結(jié)構(gòu)尺寸的增大，其軸向拉應(yīng)力由16.6 MPa減小到9.6 MPa，減小42.2%，且與其連接的攔污柵墩X向的位移減少26.7%，縱梁軸向的拉應(yīng)力增加32.5%；由計(jì)算結(jié)果可以看出，橫梁截面面積大，橫梁剛度大，橫梁對(duì)攔污柵墩位移的限制作用強(qiáng)，而地震作用下，橫梁截面面積大，橫梁質(zhì)量大，其地震慣性力大，塔體前傾趨勢(shì)較強(qiáng)，因此塔體縱梁軸向拉應(yīng)力增大。

5.3 改變縱梁尺寸對(duì)進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力及形變影響

方案3進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力、形變及變化規(guī)律計(jì)算結(jié)果見表3。

整合表3中的數(shù)據(jù)，繪制不同截面尺寸縱梁對(duì)關(guān)鍵部位的應(yīng)力響應(yīng)圖和位移響應(yīng)圖，如圖10～13。

圖7 不同截面尺寸橫梁對(duì)其軸向拉應(yīng)力的應(yīng)力響應(yīng)圖 圖8 不同截面尺寸橫梁對(duì)縱梁軸向拉應(yīng)力的應(yīng)力響應(yīng)圖 圖9 不同截面尺寸橫梁對(duì)攔污柵墩X向的位移響應(yīng)圖

圖10 不同截面尺寸縱梁對(duì)其軸向 圖11 不同截面尺寸縱梁對(duì)攔污柵墩拉應(yīng)力的應(yīng)力響應(yīng)圖 圖12 不同截面尺寸縱梁對(duì)胸墻與縱梁最大主拉應(yīng)力的應(yīng)力響應(yīng)圖 連接部位最大主拉應(yīng)力等值線圖

表3 不同尺寸縱梁對(duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力的影響

由表3與動(dòng)力響應(yīng)圖10～12可知，縱梁截面面積增大，其自身軸向的拉應(yīng)力由7 MPa增加到9.2 MPa，增大31.4%，與胸墻連接部位的最大主拉應(yīng)力增大36.3%，與攔污柵墩連接部位的最大主拉應(yīng)力減少9.9%；計(jì)算結(jié)果表明，縱梁剛度增大，其對(duì)攔污柵墩位移的限制作用不明顯，縱梁的形變變幅較小，因此縱梁剛度大幅增加，其軸向拉應(yīng)力反而增大，其與胸墻連接部分的大主拉應(yīng)力亦增大，而攔污柵墩位移減小，其最大主拉應(yīng)力減小。

6 結(jié) 論

本文采用反應(yīng)譜法，研究了地震激勵(lì)下高聳進(jìn)水塔攔污柵墩連系梁結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)進(jìn)水塔關(guān)鍵部位應(yīng)力和變形的影響，得到以下結(jié)論：

(1)橫(縱)梁可有效限制攔污柵墩位移，改善連系梁體系應(yīng)力布局，其中橫梁對(duì)攔污柵墩位移限制作用較為明顯。

(2)改變橫梁尺寸可顯著改善塔體關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形，橫梁尺寸大，其剛度大，自身軸向拉應(yīng)力小，攔污柵墩位移小，縱梁的軸向拉應(yīng)力小幅增加，較大橫梁尺寸有利于進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

(3)改變縱梁尺寸對(duì)改變塔體關(guān)鍵部位的應(yīng)力和變形影響較小，但縱梁尺寸大、其剛度大，自身軸向拉應(yīng)力大，其與胸墻連接部分的第一主拉應(yīng)力顯著增大。因此，較大的縱梁尺寸不僅增加成本，且不利于進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

對(duì)于高聳進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)，較大的橫梁尺寸有利于減小其軸向拉應(yīng)力及攔污柵墩的位移，而較大的縱梁尺寸會(huì)增大成本且對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響?？梢?，適當(dāng)?shù)脑黾訖M梁尺寸，減小縱梁尺寸可有效降低成本，改善結(jié)構(gòu)安全。本文研究可為結(jié)構(gòu)相似的進(jìn)水塔的連系梁尺寸調(diào)整提供一定的參考作用。