埋入式壓力引水鋼管靜動力響應分析

葉 琦，劉 智

（1.江西省贛撫平原水利工程管理局，江西南昌，330096；2.江西省水利科學院，江西南昌，330029；3.江西省鄱陽湖流域生態(tài)水利技術創(chuàng)新中心，江西南昌，330029）

0 引言

近年來，水利工程中利用壓力引水鋼管進行引水、調水的案例比比皆是，埋入式引水鋼管更是其中的主要形式。但在獲得結構形式便利的同時，也存在一些問題，如壩體內的彎頭部位和接口部位受力情況異常復雜，尤其是在非常規(guī)地震荷載的作用下，其動力響應的研究顯得尤為關鍵。當前國內外學者對于埋入式引水鋼管的研究多集中于靜力工況，單柏翔等[1]以遼寧省重點輸水管線工程中的某一局部鋼管段為例，通過數值仿真分析，找出影響承插口變形大小的主要原因；周理想等[2]根據預應力鋼筒混凝土管的結構型式及特點，采用ANSYS 對預應力鋼筒混凝土管的管身混凝土、鋼筒、預應力鋼絲以及承插口鋼板進行了數值仿真模擬計算，找到了結構中的薄弱環(huán)節(jié)；孫艷秋等[3]從常規(guī)檢測內容及要點入手，采用應力檢測與有限元計算相結合的方法評估水電站壓力引水鋼管受力狀況，對壓力鋼管安全檢測和評估要點進行總結分析，可為水電站引水壓力鋼管安全檢測評估工作提供參考?？梢姡壳皩β袢胧揭摴芄ぷ餍詰B(tài)的研究多集中于結構局部的靜力分析，鮮有結構抗震分析的相關研究，因此開展埋入式引水鋼管靜動力響應分析十分必要。

本文以我國西南地區(qū)某Ⅰ等大（1）型水電站工程為例，樞紐工程由混凝土重力壩、升船機、泄洪建筑物、引水發(fā)電建筑物和變電站等組成。根據規(guī)范[4]的劃分，結合國家地震烈度評定委員會的評價意見，認定該工程壩址區(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，攔河壩按Ⅷ度設防。

1 工程參數

1.1 計算模型

本次計算重點分析對象為重力壩升船機壩段上閘首部位，整體模型包括升船機壩段上閘首、塔樓、下閘首及左右側連接段，地基向上游、下游及底部方向均延伸了1.5 倍壩體高度。整體模型細化了上閘首部位，并建立了引水鋼管、引水口和閥室等細部結構，其中閘門和引水鋼管均采用板單元模擬，其余部位則用實體單元模擬。模型共有191 229 個單元，219 023 個節(jié)點，其中1 940 個板單元，具體模型見圖1。

1.2 材料參數

工程中壩體不同部位所采用的各強度混凝土性能參數見表1。

表1 混凝土強度設計值與彈性模量 N/mm2

根據《規(guī)范》[5]規(guī)定，結構抗震計算中，動態(tài)強度參數取靜態(tài)1.2 倍，動態(tài)彈性模量取靜態(tài)1.5 倍。

1.3 荷載參數

本文采用反應譜法進行計算，該方法是一種通過振型疊加法推導得出的近似方法，避免了人為選擇地震加速度而出現的不必要誤差[6-8]。根據工程所在地區(qū)壩址基巖場地地震動參數，場地譜最大代表值按升船機壩段混凝土建筑物取βmax=2.6，特征周期tg=0.6s，根據以上參數可得出工程所在地區(qū)的場地譜如圖2所示。

圖2 工程所在地區(qū)場地反應譜

2 靜力分析

2.1 位移分析

引水鋼管在靜力工況下位移的分布如圖3所示。由圖可見，橫向變形主要出現在鋼管左右兩側，豎向變形主要出現在鋼管上下兩側，且均在下三岔管處出現較大位移，這主要是由于引水鋼管上部有一半埋設在壩體內，而下部三岔管處于空腔內的原因。z 向位移沿鋼管呈環(huán)狀分布，越往上位移越大。其中x 向最大位移為0.875mm，出現在下三岔管處；y 向最大位移為2.575mm，出現在鋼管中部；z 向最大位移為-10.510mm，出現在鋼管上部。

圖3 引水鋼管位移分布等值線圖

2.2 應力分析

靜力工況下拉應力區(qū)主要分布在引水鋼管閥室段未埋部分和閥室表面，壓應力區(qū)則主要分布在引水鋼管壩段內埋藏部分。

圖4 給出了引水鋼管周邊混凝土的第一主應力分布圖，可以看出，進水口處上下側主要受拉應力，左右側主要受壓應力；閥室頂部兩側與壩體接觸處、鎮(zhèn)墩邊角處均存在應力集中現象，但各部位的應力值小，均未超過允許值（見表1），在靜力作用下壓力引水鋼管的工作性狀較好。

圖4 引水鋼管周邊混凝土第一主應力分布圖（MPa）

3 反應譜法動力響應分析

反應譜法動力響應分析中的荷載包括：靜力荷載、動水荷載以及場地譜設計地震荷載。根據《規(guī)范》[5]中抗震設防等級劃分，主體工程為甲類抗震設防，基巖水平峰值加速度采用0.35g；非壅水建筑物為乙類抗震設防，基巖水平峰值加速度0.23g，豎向加速度代表值取水平向設計加速度代表值的2/3。

振型分解反應譜法應力計算是將靜力按照最不利方式與動力進行疊加計算，因此此處的應力值只能反映結構應力響應最不利的可能。由圖5 可見，在進水口的下側邊緣處出現明顯的應力集中現象，應力響應較大；閥室頂部板與壩體銜接處應力響應較大；引水鋼管在鋼管上部出現應力響應集中點，此處為鋼管與混凝土交界處，而裸露在壩體空腔內的鋼管在地震作用影響下應力響應較小。因此，在非常規(guī)地震荷載作用下，埋設在壩體混凝土內的引水鋼管需要重點關注，特別是轉彎處與接口處。

圖5 地震作用下壓力引水鋼管關鍵部位應力等值線分布圖

4 結論

本文以西南地區(qū)某Ⅰ等大（1）型樞紐工程碾壓混凝土重力壩埋入式壓力引水鋼管為例，在常規(guī)靜力分析基礎上通過反應譜法開展動力計算，研究壩體內埋入式壓力引水鋼管在場地譜設計地震作用下的應力分布情況。得到以下結論：

（1）常規(guī)靜力作用下，壓力引水鋼管的位移及應力均較小，分布規(guī)律與常規(guī)認識相同，靜力作用下壓力引水鋼管能夠保持良好的工作性狀。

（2）動力作用下，壓力引水鋼管的進水口部位和閥室頂部均出現了較為明顯的應力集中現象，在最不利靜動荷載疊加時該區(qū)域混凝土局部小范圍將超過其抗拉強度，需對這些部位進行配筋等針對性加強措施。

（3）動力作用下，壓力引水鋼管轉彎及岔管接頭處存在應力集中現象，與該部分相接的混凝土將超過其抗拉強度，同樣需對該區(qū)域開展針對性的加強措施，以保障工程安全運行。