基于模態(tài)分析方法下水工建筑動(dòng)力特性與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)關(guān)系分析研究

徐永沛

(廣東粵源工程咨詢有限公司，廣州 510000)

1 概 述

水利工程中地震動(dòng)力特性研究是十分重要的研究課題，以此可探討結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)以及結(jié)構(gòu)體系參數(shù)最優(yōu)化，為提升水工結(jié)構(gòu)安全可靠性提供重要參考[1-3]。在結(jié)構(gòu)安全抗震設(shè)計(jì)中，重要的一方面就是結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)方案設(shè)計(jì)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)可靠性對(duì)結(jié)構(gòu)抗震性具有重要作用。王星莉等[4]、張伯艷等[5]、張雪東等[6]通過對(duì)多種類型的基礎(chǔ)在水工建筑中應(yīng)用，設(shè)計(jì)有物理模型試驗(yàn)、原位試驗(yàn)、監(jiān)測(cè)分析等手段，對(duì)結(jié)構(gòu)體系安全可靠性進(jìn)行分析，為水工結(jié)構(gòu)最優(yōu)化抗震設(shè)計(jì)提供重要數(shù)據(jù)參考。由于基礎(chǔ)方案類型較多，采用仿真模擬手段可較高效獲得不同基礎(chǔ)方案下水工建筑動(dòng)力特性，部分水利研究人員利用工程荷載與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行模擬，為評(píng)價(jià)水工建筑動(dòng)力抗震效果提供參考[7-9]。本文根據(jù)粵北擬建水工建筑最優(yōu)抗震設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)有3種不同基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，對(duì)比各方案地震動(dòng)力特性，為擬建工程安全抗震性設(shè)計(jì)提供重要科學(xué)依據(jù)。

2 模擬計(jì)算介紹

2.1 工程概況

粵北地區(qū)擬建水資源中轉(zhuǎn)樞紐工程，考慮設(shè)立一抽水泵站作為重要?jiǎng)恿υO(shè)施，另配以相應(yīng)的水閘泄流設(shè)施、攔污柵以及蓄水池等水工建筑，每個(gè)蓄水池均配備有進(jìn)水閘門，并設(shè)置相應(yīng)的承重結(jié)構(gòu)。其中，設(shè)計(jì)以弧形閘門為水閘通流設(shè)施，弧門半徑為2.2 m，攔污柵設(shè)置有橫縱連系梁，其中橫梁寬高為120 cm×200 cm，設(shè)計(jì)以預(yù)應(yīng)力錨索作為閘墩等承重結(jié)構(gòu)的加固措施，配備有主次錨索交錯(cuò)布設(shè)，閘墩與錨索采用墊板相接觸，確保上部結(jié)構(gòu)整體運(yùn)營穩(wěn)定性。該水利樞紐工程由于牽涉面較廣，涉及水利結(jié)構(gòu)較多，對(duì)工程所在場(chǎng)地承載力要求較高。地勘鉆孔資料表明，該場(chǎng)地使用天然地基并不滿足設(shè)計(jì)要求，因而考慮對(duì)該場(chǎng)地基礎(chǔ)進(jìn)行多種方案比較設(shè)計(jì)。

從土層鉆孔中獲知，該場(chǎng)地內(nèi)土層主要為黏土層與砂土層，其中黏土層沉降變形較大，最大顆粒粒徑超過4 mm，埋藏厚度超過6 m，含水量較多；砂土層中含有較多細(xì)礫石，厚度超過10 m，該土層承載力較大，適合作為大型水利樞紐工程持力層。為此，該水利樞紐工程場(chǎng)地主要以砂土層為基礎(chǔ)層，另加以人工基礎(chǔ)改造，確保樞紐工程設(shè)施安全穩(wěn)定性。為合理選用基礎(chǔ)形式，設(shè)計(jì)3種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，分別為普通樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案(A方案)、樁基礎(chǔ)-復(fù)合地基方案(B方案)、箱型-地下連續(xù)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案(C方案)。由于地震動(dòng)荷載下結(jié)構(gòu)安全性是重點(diǎn)考慮因素，因此本文主要對(duì)此3種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案開展地震動(dòng)力特性分析，為確定最佳水利設(shè)施基礎(chǔ)方案提供參考。

2.2 建模與荷載輸入

根據(jù)該樞紐工程場(chǎng)地自振周期與場(chǎng)地類別，設(shè)計(jì)采用EI Centro標(biāo)準(zhǔn)地震波開展基礎(chǔ)動(dòng)力特性分析，該標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜見圖1。從標(biāo)準(zhǔn)地震波反應(yīng)譜可知，所施加的地震動(dòng)荷載峰值加速度為1.07 g，該荷載主要是加載基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上的水平方向上[10-11]，分析各基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案在該動(dòng)荷載下的動(dòng)力響應(yīng)特性。

圖1 地震動(dòng)荷載反應(yīng)譜

根據(jù)3種不同基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案分別建立計(jì)算模型，見圖2。本文計(jì)算模型主要涉及上部水工建筑與下部基礎(chǔ)方案，因而以黏彈性土體作為邊界限定條件。采用邊長為0.5 m網(wǎng)格單元進(jìn)行模型劃分[12-14]，3種基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案分別獲得52 639個(gè)、48 695個(gè)、502 782個(gè)網(wǎng)格單元，外荷載輸入與動(dòng)水壓力等參數(shù)在3種計(jì)算方案中均保持一致。

圖2 3種不同基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案計(jì)算模型

3 地震動(dòng)力特性模態(tài)分析

從3種不同基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案中計(jì)算獲得各階次自振頻率，見圖3。從圖3中可看出，隨計(jì)算階次遞增，各方案中自振頻率均遞增，但3種方案自振頻率增長幅度有所差異。A方案中，一階自振頻率為0.682 Hz，而3階、7階、10階自振頻率相比前者增大22.6%、46.3%和57.8%，相應(yīng)的自振頻率差異幅度在B方案中又為16.6%、39.7%和52.8%，而漲幅最小的為C方案，其3階、7階、10階自振頻率相比1階增大2.9%、18.9%和32%。在各階次自振頻率增長過程中，A方案平均每階次增長5.9%，B、C方案分別為4.8%、2.9%。從模態(tài)分析結(jié)果可知，3種方案中，自振頻率以C方案為最大，其剛度響應(yīng)特征顯著高于A、B方案；根據(jù)計(jì)算結(jié)果各階次的振型特征可知，A、B方案在初始階次中振型均以動(dòng)荷載施加方向的垂直方向?yàn)橹鳎獵方案振型主要以動(dòng)荷載同向的平動(dòng)，而在三階次后，振型以組合平動(dòng)為主。

圖3 各基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案下計(jì)算階次自振頻率

4 基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案下位移響應(yīng)特征

4.1 普通樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)模擬計(jì)算獲得基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案下水工結(jié)構(gòu)在水平、橫向上位移響應(yīng)特征，見圖4。

圖4 A方案上部水工結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)特征

從圖4可看出，結(jié)構(gòu)水平方向最大位移為87 mm，位移荷載施加第16.7 s，與最大位移相近的是在第14.2 s，達(dá)到85.5 mm。在結(jié)構(gòu)水平方向上位移超過50 mm的有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，主要集中在10～17 s時(shí)間段內(nèi)，而在該階段之后結(jié)構(gòu)位移逐漸減弱，該區(qū)間段內(nèi)最大位移有65.3 mm，相比全時(shí)段內(nèi)最大位移降低24.9%。由此表明，結(jié)構(gòu)體系水平方向上位移影響主要集中在荷載施加后第10 s后6 s段內(nèi)，而在其他時(shí)間段內(nèi)位移值均較小。另一方面，從結(jié)構(gòu)橫向位移響應(yīng)值可知，其位移響應(yīng)值整體低于水平方向，在荷載施加第17 s左右時(shí)，水平方向在該節(jié)點(diǎn)是最大位移集中區(qū)，而橫向上該節(jié)點(diǎn)的位移為35.3 mm，相比水平方向上降低59.4%。同樣，結(jié)構(gòu)橫向最大位移在10～22 s時(shí)間段內(nèi)較集中，而與之同時(shí)在其他時(shí)間段內(nèi)位移均在-20～20 mm左右分布。對(duì)比結(jié)構(gòu)水平、橫向上最大位移可知，標(biāo)準(zhǔn)地震波荷載對(duì)A基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的水工結(jié)構(gòu)水平向影響更顯著，位移響應(yīng)值亦較大。

從計(jì)算模型中劃分出基礎(chǔ)水平與橫向上位移響應(yīng)特征，獲得圖5所示結(jié)果。

圖5 A方案基礎(chǔ)位移響應(yīng)特征

從圖5中可看出，整體上基礎(chǔ)在兩個(gè)方向上的位移響應(yīng)特征與水工建筑結(jié)構(gòu)基本接近，結(jié)構(gòu)體系中最大位移與基礎(chǔ)最大位移均為相同。分析表明，普通樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案中上部水工建筑結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)自身位移響應(yīng)為一致，即A方案中基礎(chǔ)、上部水工結(jié)構(gòu)是一致性位移響應(yīng)，基礎(chǔ)減震或降低位移響應(yīng)效果欠佳。

4.2 樁基礎(chǔ)復(fù)合地基方案

根據(jù)樁基礎(chǔ)-復(fù)合地基設(shè)計(jì)方案，獲得該方案下上部水工結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)部分的位移響應(yīng)結(jié)果，圖6為上部水工結(jié)構(gòu)在水平、橫向上位移響應(yīng)特征。

圖6 B方案上部水工結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)特征

從圖6中可看出，B方案上部水工結(jié)構(gòu)水平位移響應(yīng)相比A方案較平穩(wěn)，最大位移為76.2 mm，相比A方案最大位移降低12.4%，出現(xiàn)位移次數(shù)在50 mm以上的有4次，集中在12～17 s時(shí)間段內(nèi)。而在水平位移響應(yīng)后期，特別是20 s以后，位移響應(yīng)處于較為平靜狀態(tài)，結(jié)構(gòu)體系位移波動(dòng)較小，最大位移量穩(wěn)定在60.7 mm；在動(dòng)荷載施加初期，位移響應(yīng)結(jié)果與荷載后期結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)基本類似，位移量分布在-20～20 mm。分析認(rèn)為，由于樁基礎(chǔ)復(fù)合地基方案中具有人工處理后的墊層材料，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)具有“緩沖”效應(yīng)。結(jié)構(gòu)體系橫向位移影響最大值分布在時(shí)間11～16 s，最大位移以65 mm為主，超過50 mm的位移響應(yīng)次數(shù)有4次，在動(dòng)荷載位移響應(yīng)最集中階段內(nèi)，橫向最大位移相比水平向降低12.1%，且其相比A方案中橫向最大位移也要降低8.5%，表明結(jié)構(gòu)體系中位移響應(yīng)特征受到限制影響，對(duì)結(jié)構(gòu)體系安全可靠性具有提升作用。

圖7為基礎(chǔ)水平、橫向上位移響應(yīng)特征。從圖7中可看出，基礎(chǔ)體系不論是水平亦或是橫向上，位移響應(yīng)值整體分布均低于上部水工結(jié)構(gòu)體系。以水平向位移為例，其最大位移主要出現(xiàn)在14.3 s，為79.7 mm，而該方向上結(jié)構(gòu)體系最大位移相比其降低4.8%；同樣在橫向方向上，結(jié)構(gòu)體系中最大位移亦相比基礎(chǔ)自身位移降低9.7%。從結(jié)構(gòu)體系與基礎(chǔ)部分關(guān)系可知，樁基礎(chǔ)復(fù)合地基有效降低了動(dòng)荷載對(duì)上部水工建筑結(jié)構(gòu)影響，削弱了動(dòng)荷載傳遞至上部結(jié)構(gòu)的響應(yīng)值。

圖7 B方案基礎(chǔ)位移響應(yīng)特征

4.3 箱型-地下連續(xù)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案

根據(jù)箱型-地下連續(xù)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案，獲得上部結(jié)構(gòu)體系位移響應(yīng)特征，圖8。從圖8中可知，C方案的結(jié)構(gòu)體系位移響應(yīng)值顯著低于A、B方案。其中，C方案上部結(jié)構(gòu)體系水平向最大位移為39.2 mm，相比之A、B方案上部結(jié)構(gòu)體系最大位移降低54.9%、48.6%；從結(jié)構(gòu)體系位移響應(yīng)特征即可知，C方案抗震特性強(qiáng)于A、B方案。同理，C方案結(jié)構(gòu)體系的橫向位移響應(yīng)表現(xiàn)均低于A、B方案。綜合而論，C方案結(jié)構(gòu)體系抗震安全可靠性更佳。對(duì)比C方案水平、橫向位移響應(yīng)差異可知，水平、橫向最大位移集中在40 mm左右，低于50 mm的常規(guī)安全響應(yīng)值。分析表明，C方案中結(jié)構(gòu)體系位移以水平向響應(yīng)為主，且C方案相比地震動(dòng)影響較弱，對(duì)結(jié)構(gòu)體系自恢復(fù)穩(wěn)定性更有利。

圖8 C方案上部水工結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)特征

圖9為C方案基礎(chǔ)部分位移響應(yīng)特征。從圖9中可看出，基礎(chǔ)部分位移響應(yīng)值相比上部結(jié)構(gòu)均高出一定幅度，基礎(chǔ)部分水平方向最大位移為50.2 mm，相比之結(jié)構(gòu)體系中最大位移增大28.1%；從橫向位移影響值來看，上部水工結(jié)構(gòu)最大位移相比基礎(chǔ)部分結(jié)構(gòu)降低幅度達(dá)19.6%，相比上部結(jié)構(gòu)體系響應(yīng)時(shí)間更長。由此可認(rèn)為，C方案中上部結(jié)構(gòu)受“減震”效應(yīng)顯著，起著重要隔震性能，在上部整體水工建筑結(jié)構(gòu)體系中具有重要抗震性能。從3個(gè)方案位移響應(yīng)及動(dòng)力響應(yīng)特征比較結(jié)果來看，采用C方案更具有抗震安全可靠性。

圖9 C方案基礎(chǔ)位移響應(yīng)特征

5 結(jié) 論

1)隨計(jì)算階次遞增，各方案中自振頻率均遞增。其中，以C方案自振頻率為最大，但其每階次增長幅度為最小，A、B、C方案自振頻率平均每階次增長5.9%、4.8%和2.9%；C方案結(jié)構(gòu)以組合振型為主，A、B方案為單向運(yùn)動(dòng)振型。

2)普通樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)體系中最大位移與基礎(chǔ)最大位移均為相同，結(jié)構(gòu)體系水平向上位移主要集中在荷載施加后第10～17 s段內(nèi)，位移超過50 mm的有5個(gè)節(jié)點(diǎn)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案減震效果欠佳。

3)樁基礎(chǔ)復(fù)合地基方案結(jié)構(gòu)體系水平位移響應(yīng)相比A方案較平穩(wěn)，最大位移相比A方案降低12.4%，橫向位移超過50 mm的位移響應(yīng)次數(shù)有4次；基礎(chǔ)位移響應(yīng)值整體均低于上部結(jié)構(gòu)體系，樁基礎(chǔ)復(fù)合地基有效降低了動(dòng)荷載對(duì)上部水工建筑結(jié)構(gòu)的影響。

4)箱型-地下連續(xù)墻基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)體系位移響應(yīng)值顯著低于A、B方案，上部結(jié)構(gòu)體系水平向最大位移相比A、B方案降低54.9%、48.6%，C方案中結(jié)構(gòu)體系位移以水平向響應(yīng)為主；C方案基礎(chǔ)位移響應(yīng)值顯著高于上部結(jié)構(gòu)體系，上部結(jié)構(gòu)受“減震”效應(yīng)顯著；3個(gè)基礎(chǔ)設(shè)計(jì)方案中，以C方案更具抗震安全可靠性。