基于反應(yīng)譜法的岸塔式進(jìn)水塔抗震穩(wěn)定性分析

劉 浩

(臨沂市羅莊區(qū)水務(wù)局，山東 臨沂 276017)

1 概 述

進(jìn)水塔作為水利樞紐的一個重要組成部分，其安全穩(wěn)定有著重要意義。由于我國西南部地區(qū)地形復(fù)雜且處于地震多發(fā)帶，結(jié)構(gòu)抗震問題突出。進(jìn)水塔一旦受到震動破壞將嚴(yán)重影響水電站的正常運(yùn)行和經(jīng)濟(jì)效益，因此對進(jìn)水塔進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震計算十分必要。如張漢云等[1]對比研究了新老標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范譜特性變化對進(jìn)水塔增量動力分析結(jié)果的影響；程漢昆[2]采用有限單元法分析了某岸塔式進(jìn)水塔在設(shè)計地震及校核地震作用下的動力響應(yīng)；趙曉紅等[3]基于有限元軟件ANSYS對某高聳進(jìn)水塔在地震作用下的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究；王俊等[4]基于有限元軟件ANSYS對古水水電站進(jìn)水塔在靜動力作用下的位移和應(yīng)力結(jié)果進(jìn)行了分析；劉云賀等[5]對比研究了黏彈性邊界與無質(zhì)量地基情況下的某高聳進(jìn)水塔動力響應(yīng)結(jié)果；柳樹搖等[6]基于有限元法得到拉拉山水電站進(jìn)水塔在地震作用下的動位移和動應(yīng)力結(jié)果。本文采用大型有限元軟件ABAQUS，建立某岸塔式進(jìn)水塔三維有限元模型，基于反應(yīng)譜法分析該進(jìn)水塔在給定地震荷載下的應(yīng)力分布規(guī)律，并提出相應(yīng)的加固處理措施。

2 計算模型

某水電站采用的是岸塔式進(jìn)水口。進(jìn)水口底板高程為2 794.00 m，塔頂高程為2 902.00 m。塔高108.00 m，單個順?biāo)鞣较蜷L度為34.58 m，垂直于水流方向?qū)挾葹?1.40 m。塔背與山體之間有回填混凝土，回填混凝土高程為2 818.00～2 857.00 m，回填高度為39.00 m。

2.1 坐標(biāo)系的說明

圖1中，取左側(cè)進(jìn)水塔左邊墩的左側(cè)外表面、迎水面以及底板上表面三面的交點(diǎn)作為坐標(biāo)原點(diǎn)。X軸為豎直方向，向上為正；Y軸為沿水平方向且垂直于水流方向，向右為正；Z軸為水平方向，順?biāo)鞣较颍赶蛳掠螢檎?/p>

圖1 水電站進(jìn)水塔三維有限元模型

2.2 計算范圍

塔體部分：下部邊界取至底板下表面，高程為2 788 m；上部邊界取至塔頂蓋板，高程為2 902 m；計算總模擬高度為114 m。

地基部分：向上游延伸107 m，向下游延伸158 m，左右兩側(cè)分別取塔體的5倍單寬，地基深度為278 m。

2.3 網(wǎng)格劃分

本次計算采用ABAQUS的C3D8八節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，計算模型共有61 969個單元，79 065個節(jié)點(diǎn)。

2.4 邊界條件

地基的四周表面采用法向約束，地基的下表面進(jìn)行全約束。

進(jìn)水塔及地基的整體三維有限元模型見圖1，計算采用的材料參數(shù)見表1。

表1 材料力學(xué)性能表

3 反應(yīng)譜曲線的確定

設(shè)計反應(yīng)譜根據(jù)場地類別，按照《水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(NB 35047-2015)中要求βmax=2.25，Tg=0.30 s，水平向峰值加速度αmax=0.2 g，阻尼比為0.05生成標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，見圖2。

4 動力響應(yīng)計算結(jié)果分析

在正常蓄水位的情況下，動水壓力以附加質(zhì)量的形式進(jìn)行處理。在各階振型的地震作用效應(yīng)組合有絕對值法(SUM=ABS)、完全二次型方根法(SUM=CQC)、平方和根法(SUM=SRSS)，本文采用平方和方根法(SUM=SRSS)。進(jìn)水塔進(jìn)行水平的Y向和Z向以及豎向的X向地震激勵，也要進(jìn)行方向上的效應(yīng)組合。組合方法有代數(shù)和法(COMP=ALGEBRAIC)和平方和方根法(SUM=SRSS)。如果采用代數(shù)和法，首先進(jìn)行方向作用效應(yīng)組合，然后進(jìn)行模態(tài)疊加；如果采用平方和方根法，首先進(jìn)行模態(tài)疊加，再進(jìn)行方向作用效應(yīng)的組合。本文中，各階振型地震作用效應(yīng)采用平方和方根法(SUM=SRSS)組合，各方向上地震作用效應(yīng)分別采用了代數(shù)和法(COMP=ALGEBRAIC)和平方和方根法(SUM=SRSS)。兩種方法進(jìn)行比較，并得出相應(yīng)的結(jié)論。

4.1 代數(shù)和法動力計算結(jié)果分析

1) 主應(yīng)力包絡(luò)分布圖見圖3。在主應(yīng)力包絡(luò)圖中可以看出，最大拉應(yīng)力出現(xiàn)在塔體的回填混凝土頂部高程位置最大值為2.337 MPa。最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在底板底部，最大值為2.458 MPa。

圖3 主應(yīng)力包絡(luò)圖(代數(shù)和法)

2) 豎直(X)方向應(yīng)力分布見圖4。在X向激振作用下，進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要出現(xiàn)在塔身與回填混凝土頂部相連接的地方，其最大值為2.462 MPa。并且隨著高度的上升和下降，拉應(yīng)力值逐漸減??；到進(jìn)水塔頂中上部以及底板的時候，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，其最大值為0.230 MPa。

圖4 X向應(yīng)力包絡(luò)圖(代數(shù)和法)

3) 垂直于水流(Y)方向應(yīng)力分布見圖5。Y向激振作用下，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要出現(xiàn)在中墩與連系梁相連的位置以及連系梁上，拉應(yīng)力最大值為0.905 8 MPa。這是因?yàn)檎w結(jié)構(gòu)自振時，中墩與塔體后部剛度特性不一致，相較起來比較小，中墩擺動幅度較大，塔體變形幅度小，中墩變形幅度較大。而中墩與塔體之間有連系梁相連以此來協(xié)調(diào)變位，使得連系梁上應(yīng)力比較大。

圖5 Y向應(yīng)力包絡(luò)圖(代數(shù)和法)

4) 順?biāo)?Z)方向應(yīng)力分布見圖6。在Z向激振的作用下，進(jìn)水塔的應(yīng)力主要集中在進(jìn)水塔背部高程2 857 m位置(即回填混凝土頂部高程位置)。最大拉應(yīng)力為1.572 MPa，其余部位表現(xiàn)為受壓。主要是因?yàn)樗w背后回填混凝土的剛度與塔身剛度相差較大，回填混凝土振幅較大，導(dǎo)致該部位應(yīng)力較大。同時，在塔頂處塔的前后兩部分連接的地方也出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力。

圖6 Z向應(yīng)力包絡(luò)圖(代數(shù)和法)

4.2 平方和方根法動力計算結(jié)果分析

1) 主應(yīng)力包絡(luò)圖分布見圖7。在圖7中可以看出，在各方向上分別采用平方和方根法(SUM=SRSS)組合的情況下，最大的應(yīng)力值也是出現(xiàn)在塔體的底板與其上部連接的位置，其值為2.317 MPa。

圖7 主應(yīng)力包絡(luò)圖(平方和方根法)

2) 豎直(X)方向應(yīng)力分布見圖8。其最大值為2.406 MPa，也是出現(xiàn)在塔體的底板與其上部連接的位置。并且隨著高度的上升，拉應(yīng)力值逐漸減?。坏竭M(jìn)水塔頂中上部的時候，拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，其最大值為0.211 9 MPa。

圖8 X向應(yīng)力包絡(luò)圖(平方和方根法)

3) 垂直于水流(Y)方向應(yīng)力分布見圖9。Y向激振作用下，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力主要出現(xiàn)在中墩與橫向連系梁相連的位置以及橫向連系梁上，拉應(yīng)力最大值為0.948 8 MPa。邊墩以及其他部位表現(xiàn)為壓應(yīng)力，最大值為1.818 MPa。這是因?yàn)檎w結(jié)構(gòu)自振時，中墩與塔體后部剛度特性不一致，相較起來比較小，中墩擺動幅度較大，塔體變形幅度小，中墩變形幅度較大。而中墩與塔體之間有連系梁相連以此來協(xié)調(diào)變位，使得連系梁上應(yīng)力比較大。

圖9 Y向應(yīng)力包絡(luò)圖(平方和方根法)

4) 順?biāo)?Z)方向應(yīng)力分布見圖10。在Z向激振的作用下，進(jìn)水塔的應(yīng)力主要集中在縱向連系梁上即中墩與塔身后方相連接的連系梁。最大拉應(yīng)力為1.567 MPa，其余部位表現(xiàn)為受壓。主要是因?yàn)樗w中墩與塔體后部在順?biāo)鞣较蜃冃未笮〔灰恢拢卸盏膭偠容^小，變形量較大；進(jìn)水塔后部剛度較大，變形較小，因此縱向連系梁上會出現(xiàn)拉應(yīng)力較大。

圖10 Z向應(yīng)力包絡(luò)圖(平方和方根法)

從以上分析結(jié)果可以看出，SRSS/ALGEBRAIC與SRSS/SRSS的結(jié)果幾乎相差無幾，由此驗(yàn)證了計算結(jié)果的準(zhǔn)確性與合理性。

5 結(jié) 論

本文主要基于反應(yīng)譜法對某水電站進(jìn)水塔進(jìn)行了動力穩(wěn)定性分析，主要結(jié)論如下：

1) 進(jìn)水塔回填混凝土高程位置出現(xiàn)了最大值為2.337 MPa的拉應(yīng)力。建議選取合適的回填高程，并加強(qiáng)回填高程附近的配筋。

2) 底部、縱向連系梁、橫連系梁應(yīng)力比較大，塔體部位應(yīng)力較小。在設(shè)計過程中，建議增強(qiáng)連系梁的配筋。