地震作用下阿斗村渡槽的仿真分析

楊若男

(華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院, 河南 鄭州 450045)

渡槽是南水北調(diào)工程中不可或缺的關(guān)鍵性結(jié)構(gòu)[1]。渡槽結(jié)構(gòu)易受地震作用影響發(fā)生開裂破壞現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外的研究學(xué)者已對(duì)其進(jìn)行了一定的研究。徐建國(guó)、陳淮、王博等[2]學(xué)者建立了渡槽薄壁結(jié)構(gòu)空間地震響應(yīng)計(jì)算模型。李遇春，來(lái)明[3]采用非線性曲線擬合方法將等效模型精確解答[4]進(jìn)行了簡(jiǎn)化；楊瀟然，周叮，王玨[5]建立了土-渡槽-流體的系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)控制方程；張社榮，馮奕，王高輝[6]采用CDP 模型，對(duì)排架式渡槽進(jìn)行了分析。阿斗村渡槽位于滇中區(qū)，是地震基本烈度為Ⅷ度的高地震區(qū)，對(duì)其進(jìn)行抗震分析十分必要。

1 水體- 槽體相互作用

《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51247-2018)[7](以下簡(jiǎn)稱為《抗震標(biāo)準(zhǔn)》)中，提出了一種水體-槽體相互作用的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，見圖1。

圖1 規(guī)范矩形渡槽模型

在橫向地震動(dòng)分量作用下，槽內(nèi)水體對(duì)渡槽作用如表1所示。

表1 橫向地震作用下槽內(nèi)水體地震響應(yīng)

在豎向地震動(dòng)分量作用下，槽內(nèi)水體對(duì)渡槽作用如表2所示。

表2 豎向地震作用下槽內(nèi)水體地震響應(yīng)

需要注意的是，各時(shí)刻作用在相對(duì)槽壁上的動(dòng)水壓力指向同一方向。

依據(jù)上述公式編寫用于ANSYS 渡槽模型動(dòng)水壓力施加的命令流。使用ABAQUS 進(jìn)行計(jì)算時(shí)，需要編寫外部程序并結(jié)合inp 文件，施加方法流程為：開始在ABAQUS 中建立渡槽模型，提取節(jié)點(diǎn)信息和有效面積，導(dǎo)出inp 文件，選擇node下坐標(biāo)數(shù)據(jù)建立node.txt，運(yùn)行外部程序，得到新增節(jié)點(diǎn)文件、彈簧文件、附加質(zhì)量文件，然后分別把三個(gè)文件添加在inp 中的相應(yīng)位置，輸入地震波進(jìn)行計(jì)算，從以上步驟結(jié)果文件中提取渡槽底面中間節(jié)點(diǎn)水平和豎向加速度，再次運(yùn)行程序，得到節(jié)點(diǎn)力文件(txt)，加入inp 中再次進(jìn)行計(jì)算，然后結(jié)束程序。

2 渡槽的損傷破壞分析

阿斗村渡槽槽身為矩型結(jié)構(gòu)，采用C50 預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土，渡槽單跨長(zhǎng)為25m，共7 跨，設(shè)計(jì)流量為30m3/s，槽內(nèi)設(shè)計(jì)水深為3.438m，渡槽下部采用C30 鋼筋混凝土空心墩及雙柱墩支撐，兩端有C20 混凝土重力式墩臺(tái)支撐。該渡槽設(shè)有5 座空心墩和1 座雙柱墩。槽身與槽墩之間設(shè)置盆式橡膠支座，單跨槽身設(shè)計(jì)安裝4 個(gè)。材料參數(shù)見表3。

表3 材料參數(shù)表

2.1 有限元模型

為了能夠更全面的對(duì)阿斗村渡槽進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，本研究建立了三維有限元模型，槽體、槽墩以及地基土體采用三維實(shí)體單元來(lái)模擬，支座采用殼單元-彈簧單元-殼單元的組合來(lái)模擬，采用高階三維實(shí)體超彈單元模擬槽間止水，預(yù)應(yīng)力施加采用降溫法[8]。根據(jù)樓夢(mèng)麟、潘旦光、范立礎(chǔ)等[9]學(xué)者的研究，本文的計(jì)算，取土層深度最薄處為15m，土層的長(zhǎng)度為275m，土層的寬度為160m。有限元模型見圖2。

圖2 渡槽結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及整體有限元模型

2.2 地震波的選取

阿斗村渡槽附近場(chǎng)地屬于Ⅱ類場(chǎng)地，設(shè)計(jì)地震烈度為Ⅷ度。選用El-Centro 波和2 條以設(shè)計(jì)反應(yīng)譜為目標(biāo)譜的人工地震波，從渡槽承臺(tái)底板輸入三向地震荷載，地震動(dòng)輸入方式采用地震波垂直入射方式，見表4。

表4 人工地震波及其反應(yīng)譜數(shù)據(jù)

本文中重點(diǎn)分析在人工地震波1 激勵(lì)下的渡槽響應(yīng)。

2.3 結(jié)果分析

采用《抗震標(biāo)準(zhǔn)》附錄B 所推薦的“渡槽槽內(nèi)水體動(dòng)水壓力計(jì)算”公式，在計(jì)算多跨多槽渡槽的地震響應(yīng)時(shí)，計(jì)算本步動(dòng)水壓力時(shí)，需要用本步的加速度響應(yīng)，對(duì)計(jì)算機(jī)要求非常高，本文的計(jì)算采用兩臺(tái)寶德自強(qiáng)PT6620P 工作站，并采用GPU 加速，得以順利完成。結(jié)果如下：

表5～表8 給出了槽體、槽墩在空槽和設(shè)計(jì)水深兩種情況下的在人工地震波1 激勵(lì)下各響應(yīng)的最值情況。由表可知，在地震動(dòng)作用下，各槽身動(dòng)力響應(yīng)具有相似性，槽身大部分區(qū)域的應(yīng)力最大值都在在-23.1MPa～1.89MPa 之間，即在C50 混凝土的抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之間。

表5 人工地震波1 激勵(lì)下空槽時(shí)渡槽槽體響應(yīng)最值表

表6 人工地震波1 激勵(lì)下設(shè)計(jì)水深時(shí)渡槽槽體響應(yīng)最值表

表7 人工地震波1 激勵(lì)下空槽時(shí)渡槽槽墩響應(yīng)最值表

表8 人工地震波1 激勵(lì)下設(shè)計(jì)水深時(shí)渡槽槽墩響應(yīng)最值表

根據(jù)表5～表8，選取第7 槽段、1#雙柱墩、4#空心墩結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)分析。因?yàn)樵诘卣鸱治鲞^(guò)程中沒有考慮行波效應(yīng)的影響，當(dāng)上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)以及支座都相差很小的情況下，會(huì)出現(xiàn)響應(yīng)值也相差很小的情況，這幾號(hào)空心墩在結(jié)構(gòu)上相似，所以地震響應(yīng)基本一致。

圖3 為人工地震波1 激勵(lì)下第7 槽段的各向應(yīng)力圖。設(shè)計(jì)水位時(shí)，槽身應(yīng)力值相較空槽時(shí)增加不多。在支座位置外存在應(yīng)力較大區(qū)域，且由于水體質(zhì)量的慣性作用，槽身底梁中部位置的拉應(yīng)力較大，考慮預(yù)應(yīng)力的影響，底梁跨中位置的拉應(yīng)力值不會(huì)引起梁體的開裂。建議在槽身端部底梁與支座安裝處增配腹筋，防止混凝土在地震作用下被剪壞。支座及拉桿處出現(xiàn)超過(guò)C50 混凝土的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的應(yīng)力，是由于支座及拉桿處應(yīng)力集中現(xiàn)象引起。

圖3 人工地震波1 激勵(lì)下第7 槽段的各向應(yīng)力圖(設(shè)計(jì)水位)

圖4 為1#雙柱墩的各向應(yīng)力云圖，阿斗村渡槽在地震動(dòng)作用下，雙柱墩的第一主應(yīng)力最大值不僅出現(xiàn)在了墩身兩側(cè)下半?yún)^(qū)，而且在柱與橫梁相交夾腋處第一主應(yīng)力值同樣很大( 2.01MPa～31MPa )。說(shuō)明在地震作用下，雙柱墩受地震力而發(fā)生左右擺動(dòng)，兩側(cè)成為受拉區(qū)。同時(shí)，因?yàn)殡p柱和橫梁H 型的結(jié)構(gòu)，所以導(dǎo)致二者相交夾腋處也是受拉區(qū)，材料處于塑性狀態(tài)，建議增配鋼筋；第三主應(yīng)力最大值發(fā)生時(shí)，支座位置壓應(yīng)力最大，符合實(shí)際情況；橫向應(yīng)力最大值發(fā)生時(shí)，墩身大部分區(qū)域的橫向應(yīng)力在C30 混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之間，此時(shí)在雙柱墩臺(tái)與支座結(jié)合處出現(xiàn)了超過(guò)設(shè)計(jì)值的應(yīng)力，主要原因是由于橫向地震動(dòng)的作用而使得兩側(cè)支座處在一側(cè)偏拉一側(cè)偏壓的情況；豎向應(yīng)力最大值發(fā)生時(shí)，墩身大部分區(qū)域的豎向應(yīng)力在C30 混凝土的抗壓、抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值之間，最大豎向應(yīng)力同樣也出現(xiàn)在支座附近。

圖4 人工地震波1 激勵(lì)下1#雙柱墩的各向應(yīng)力圖(設(shè)計(jì)水位)

圖5 為4#空心墩的各向應(yīng)力圖，可以得出：第一主應(yīng)力達(dá)到最大值時(shí)，墩臺(tái)位置由于與支座連結(jié)，分布在四個(gè)支座下及周圍位置的應(yīng)力值超過(guò)了C30 混凝土的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，主要是由于應(yīng)力集中現(xiàn)象引起的；第三主應(yīng)力最大值發(fā)生時(shí)，在地震作用過(guò)程中，上部結(jié)構(gòu)存在左右擺動(dòng)的運(yùn)動(dòng)，在空心墩一側(cè)比另一側(cè)壓應(yīng)力大，這和單側(cè)豎向受拉相一致；橫向應(yīng)力最大值時(shí)，墩臺(tái)上部的應(yīng)力值分布最大，位置與第一主應(yīng)力最大值出現(xiàn)位置大致相同，但是比第一主應(yīng)力值小，可以看出在整個(gè)墩臺(tái)與四個(gè)支座連接處橫向應(yīng)力最大，且橫向應(yīng)力對(duì)第一主應(yīng)力的貢獻(xiàn)最大；最大豎向應(yīng)力發(fā)生在墩底與基礎(chǔ)相交的邊緣處，空心墩橫向兩側(cè)表現(xiàn)為一邊受拉，一邊受壓，由于空心墩高度較大，拉壓主要集中在墩的下半部分。

圖5 人工地震波1 激勵(lì)下4#空心墩的各向應(yīng)力圖(設(shè)計(jì)水位)

3 結(jié)論

對(duì)阿斗村渡槽進(jìn)行有限元分析后，得到了強(qiáng)震作用下阿斗村渡槽的結(jié)構(gòu)損傷模式。主要結(jié)論為:

3.1 采用《抗震標(biāo)準(zhǔn)》中的公式計(jì)算動(dòng)水壓力屬于隱式迭代計(jì)算，對(duì)計(jì)算機(jī)的要求比較高，該法存在一定的局限性。在大型渡槽抗震計(jì)算中，基于聲學(xué)的位移-壓力有限元格式或簡(jiǎn)化計(jì)算方法是應(yīng)用趨勢(shì)所在。

3.2 在地震作用下，阿斗村渡槽下部槽墩結(jié)構(gòu)損傷較大，槽身與支座相連附近區(qū)域也出現(xiàn)了局部損傷，以上兩處是阿斗村渡槽的抗震薄弱部位，應(yīng)對(duì)其采取相應(yīng)措施。

3.3 采用《抗震標(biāo)準(zhǔn)》推薦的動(dòng)水壓力計(jì)算公式，反應(yīng)不了水體的TLD 效應(yīng)，計(jì)算結(jié)果偏保守。