某水電站堰閘段閘墩非線性地震反應(yīng)分析

楊梅

(新疆建源工程有限公司，烏魯木齊，830000)

閘墩是低水頭的擋水兼泄水建筑物，地震作用容易造成閘墩開裂甚至倒塌，閘墩布置結(jié)構(gòu)表明，閘墩體型、截面、工況、荷載、邊界條件都比較復(fù)雜[1]，傳統(tǒng)彈性力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和材料力學(xué)等方法無法解決以上各種因素對重力壩閘墩結(jié)構(gòu)安全的影響，因此，在地震作用下的結(jié)構(gòu)有限元分析尤為重要[2]。閘墩分縫通常在分析中由于復(fù)雜會被忽略，通常是將閘墩認(rèn)為是一個整體考慮，計算時將分縫設(shè)在堰頂，但這和實際情況會存在誤差[3]。它忽略了閘墩與閘墩在地震反應(yīng)下的互相作用，也就是在地震作用下，當(dāng)一側(cè)閘墩發(fā)生振動時，另一側(cè)的閘墩會對它有阻礙或者幫助作用[4]。本文以某水電站實際工程為例，對此展開分析研究。

1 工程簡介

某水電站工程樞紐主要由面板堆石壩、右岸溢洪道、泄洪洞和右岸地下電站廠房組成，以發(fā)電為主。水庫總庫容15.02億m3，最大壩高211m，裝機容量2200MW(4臺520MW+1臺120MW)，根據(jù)GB 50201-2014《防洪標(biāo)準(zhǔn)》以及DL 5180-2003《水電樞紐工程等級劃分及設(shè)計安全標(biāo)準(zhǔn)》的規(guī)定，工程規(guī)模為I等大(1)型工程。擋水、泄水及引水發(fā)電等主要建筑物工程級別為1級，下游消能防護及永久性次要建筑物為3級。

2 計算模型

2.1 分析區(qū)域

考慮溢洪道堰閘段與地基的動力相互作用對上部結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)分析有一定影響，在地震反應(yīng)分析中，以無質(zhì)量地基底部均勻輸入的方式考慮地基與上部結(jié)構(gòu)的動力相互作用和地震動的輸入。因此，在建立有限元模型時，溢洪道堰閘段計算基礎(chǔ)深度取1倍閘墩高度(45m)，上、下游基礎(chǔ)長度分別取堰閘段順?biāo)鏖L度的1倍(各取50m)，左右兩側(cè)基礎(chǔ)長度分別取單孔堰閘段寬度的1倍(16m)，閘墩接觸距離為0，以反映地基剛度對溢洪道堰閘段動力特性的顯著影響。

表1 材料重度

表2 混凝土設(shè)計強度

表3 混凝土彈性模量

溢洪道堰閘段堰面2m厚混凝土及閘墩混凝土強度等級取C30，堰面2m以下混凝土強度等級取C20。

2.2 網(wǎng)格劃分

模型采用ANSYS有限元結(jié)構(gòu)分析軟件對該水電站溢洪道堰閘段進(jìn)行靜、動力分析。溢洪道堰閘段中墩有限元網(wǎng)格劃分如圖1所示，采用三維空間實體模型SOLID45和SOLID73對模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元數(shù)為10721，節(jié)點數(shù)為10678。有限元分析模型中坐標(biāo)系采用直角坐標(biāo)系，選取的坐標(biāo)方向如圖1所示：X正方向為順?biāo)鞣较?；Y正方向豎直指向閘墩頂部方向；Z正方形為垂直水流方向。閘墩、壩基及圍巖模型如圖1和2所示。

圖1 整體模型單元

圖2 閘墩模型單元

閘墩分縫模型分別考慮了相鄰閘墩無寬度、寬度為0.05m、分縫中添加橡膠填充物以及相鄰閘墩不計相互影響等幾種工況。

2.3 時程分析計算方案

本文采用人工合成地震波，設(shè)計地震波三條，分別為X方向、Y方向和Z方向；校核地震波三條，分別為X方向(順?biāo)鞣较?、Z方向(橫河向)和Y方向(豎直方向)。時程分析包括以下幾種方案。

表4 計算方案

采用固定邊界，從X方向(順河向)、Y方向(垂直水流河向)和Z方向(豎直方向)分別輸入100年超越概率2%的人工合成地震波進(jìn)行計算。

2.4 接觸的設(shè)定

在計算過程中接觸面可能出現(xiàn)張開、閉合(可能會有嵌入)和滑移三種狀態(tài)。嵌入值一般很小，在分析結(jié)果時將其忽略。第一個分析步：對整個系統(tǒng)施加自重與荷載，計算并提取整個系統(tǒng)產(chǎn)生的位移，將此位移作為下一步的初始條件，并且在0至20s維持整個模型荷載不變，以防止瞬時加載產(chǎn)生的激蕩作用。第二個分析步：加載地震波。

3 閘墩時程分析

3.1 閘墩有分縫，考慮閘墩相互作用的時程分析

對分縫無寬度并考慮閘墩相互作用情況下進(jìn)行時程分析，并和閘墩為一個整體時無分縫無接觸情況下進(jìn)行對比。對結(jié)構(gòu)進(jìn)行時程分析計算，需要對閘墩關(guān)鍵部位進(jìn)行分析說明，為了便于對比，閘墩位移取圖3所示關(guān)鍵點來分析位移隨時間變化的規(guī)律。計算結(jié)果見表5、表6。

圖3 閘墩關(guān)鍵點示意

表5 閘墩為整體時關(guān)鍵點位移極值及出現(xiàn)時間

表6 分縫無寬度非線性接觸關(guān)鍵點位移極值及出現(xiàn)時間

在豎直Y方向，由于自重產(chǎn)生的影響，各點都有所沉降。在地震荷載作用下，地基對閘墩有明顯的約束作用，向上的位移并不大，最大位移為2.801cm，并且各點的時程變化規(guī)律基本一致；垂直水流Z方向，每個點的正向和負(fù)向位移基本對稱，說明在地震的往返作用下，關(guān)鍵點在非線性接觸下往返位移明顯要大于無接觸情況，這是因為閘墩互相摩擦作用對閘墩的約束明顯要小于無接觸下的約束作用。

綜上分析得知：閘墩在地震作用下位移隨著高程的增加而增加，在相同高程上的位移上游處的位移略大于下游處。在考慮接觸作用下，兩個閘墩有明顯的張開，但沒有內(nèi)嵌，而且兩個閘墩的震動幅度基本一致，說明考慮接觸非線性以后，并不存在互相碰撞等作用，這些都是以往的線彈性模型所無法得到的結(jié)論，并且這樣的結(jié)論也更加符合實際情況。

3.2 計算結(jié)果總結(jié)

以閘墩有分縫，相鄰兩閘墩沒有相互作用為分析對象，列出不同方案下，位移及應(yīng)力的變化率表，見表7、表8。

表7 垂直水流Y方向最大位移具體變化率

表8 垂直水流Z方向最大位移具體變化率

由表7和表8可得，四個關(guān)鍵節(jié)點在Y、Z三個方向的位移和應(yīng)力變化趨勢都比較一致。分縫設(shè)在堰頂視閘墩為一個整體情況下，豎直Y方向和垂直水流Z方向最大位移較閘墩有分縫并不考慮相互作用變化率幅度最大分別為-71.75%、-71.97%，變化率幅度最小分別為-43.96%、-60.25%；當(dāng)閘墩有分縫并不考慮相鄰閘墩在地震荷載作用下的相互作用時，豎直Y方向最大位移和垂直水流Z方向的最大位移較閘墩有分縫并不考慮相互作用時變化率幅度最大分別為-29.48%、-34.49%，變化率幅度最小分別為-19.83%、-25.24%；當(dāng)閘墩分縫寬0.05m，并考慮相鄰閘墩在地震荷載作用下的相互作用時，豎直Y方向和垂直水流Z方向最大位移較閘墩有分縫并不考慮相互作用時變化率幅度最大分別為-16.93%、-27.60%，變化率幅度最小分別為-5.44%、-14.19%；如果在分縫中添加橡膠填充物時，豎直Y方向和垂直水流Z方向最大位移較閘墩有分縫并不考慮相互作用時變化率幅度最大分別為-40.11%、-38.12%，變化率幅度最小分別為-19.68%、-30.51%。

四個節(jié)點受到的最大應(yīng)力值都在安全范圍之內(nèi)。閘墩為整體時分縫設(shè)在堰頂、閘墩有分縫無寬度并考慮相互作用、分縫有寬度并考慮相互作用、分縫填充橡膠這四種情況最大拉應(yīng)力較閘墩有分縫并不考慮相互作用時在Y方向最大變化幅度分別為-46.93%、-33.63%、-23.73%、-39.91%，在Z方向最大拉應(yīng)力變化幅度分別為-65.85%、-38.65%、-19.83%、-48.36%，Y方向最大壓應(yīng)力變化幅度分別為-50.00%、-34.82%、-14.8%、-39.26%，Z方向最大壓應(yīng)力變化幅度分別為-56.99%、-39.64%、-12.53%、-49.47%。

4 結(jié)論

本文分別對在地震荷載下閘墩有分縫并考慮相鄰兩閘墩相互作用、閘墩有分縫并不考慮相鄰兩閘墩相互作用、閘墩分縫寬為0.05m并考慮相鄰兩閘墩相互作用、閘墩分縫寬0.05m并在縫中加入橡膠填充物進(jìn)行了動力時程分析，并和以往閘墩有分縫并不考慮相互作用時的地震反應(yīng)做了對比研究。結(jié)果表明，不論是哪種情況下，閘墩的應(yīng)力和位移都較閘墩有分縫并不考慮相互作用有所減小。當(dāng)閘墩為一個整體即分縫設(shè)在堰頂時應(yīng)力和位移減小的最大；當(dāng)在分縫設(shè)在閘墩上，分縫中添加橡膠填充物時位移和應(yīng)力減小最為顯著，這說明了當(dāng)分縫設(shè)在閘墩上時，在縫中添加橡膠等抗震填充物對閘墩的抗震性能有明顯的增強，這種措施值得考慮。同時也表明了，以往只考慮堰頂分縫不考慮閘墩分縫的分析方法還欠妥。