進(jìn)水塔底板抗震優(yōu)化設(shè)計(jì)與有限元數(shù)值模擬

□吳建興 □韓俊嶺

（1河南天禹水利工程建設(shè)有限責(zé)任公司 2河南五建建設(shè)集團(tuán)有限公司）

0 引言

進(jìn)水塔是發(fā)電引水和泄洪系統(tǒng)中的咽喉性水工建筑物。強(qiáng)震區(qū)高進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)性能與安全關(guān)系到電站正常運(yùn)行，甚至波及整個(gè)大壩與樞紐的安危，也是保障電站效益的關(guān)鍵性建筑物[1]。目前，我國西南強(qiáng)地震高發(fā)區(qū)域正規(guī)劃、設(shè)計(jì)或開工建設(shè)一批高壩大庫型水電工程項(xiàng)目，研究強(qiáng)地震激勵(lì)作用下高進(jìn)水塔的力學(xué)行為和結(jié)構(gòu)性能、選擇合理高效的數(shù)值分析方法、建立結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)準(zhǔn)則已經(jīng)成為這類水工建筑物設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)[2]。

進(jìn)水塔在引水、泄洪系統(tǒng)投資中占據(jù)相當(dāng)大的一部分，在確保結(jié)構(gòu)安全的前提下確定合理的體型結(jié)構(gòu)，對(duì)有效降低建設(shè)費(fèi)用、控制電站投資成本具有重大的經(jīng)濟(jì)價(jià)值[3]。

1 底板優(yōu)化有限元模型

本部分比較研究共包含4個(gè)模型，塔體底板厚度度分別為2 m、3 m、4 m、6.67 m。

2 數(shù)值計(jì)算與分析

各種模型下，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的位移總趨勢(shì)基本以流道中心線呈對(duì)稱分布。4個(gè)模型塔頂各向位移相差最大值為0.08 mm，出現(xiàn)在橫河向塔頂位移?？梢姷装搴穸鹊淖兓瘜?duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)塔體位移影響很小，差別可忽略不計(jì)。

進(jìn)水塔底板主要受到上部塔身、攔污柵框架自重、水荷載、地震激勵(lì)等載荷的聯(lián)合作用。各計(jì)算模型下的各方向上的拉應(yīng)力峰值見表1。

表1 進(jìn)水塔底板混凝土應(yīng)力分量峰值表（MPa）

順河向拉應(yīng)力σx：當(dāng)水荷載作用于塔身時(shí)，一方面塔身自重使塔體向上游傾，另一方面水荷載推力使塔體向下游偏移，從而在塔體上游立面與底板的交角處（底板表層）、底板底面靠上游端部出現(xiàn)該方向上較大的拉應(yīng)力。從計(jì)算結(jié)果來看，該方向上的拉應(yīng)力峰值在模型1達(dá)到最大值5.22 MPa，在模型2達(dá)到最小值2.58 MPa，除模型1應(yīng)力較大區(qū)域影響范圍稍大外，其余三個(gè)模型應(yīng)力峰值區(qū)域基本一致。底板厚度太薄高應(yīng)力區(qū)域可能會(huì)貫穿底板延伸到基巖，導(dǎo)致進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的破壞，底板厚度太厚不僅增加工程成本，而且對(duì)降低拉應(yīng)力峰值及其影響區(qū)域效果并不明顯，甚至?xí)?dǎo)致拉應(yīng)力峰值的增加，如模型3較模型2底板順河向拉應(yīng)力峰值就增加了0.70 MPa。

豎向拉應(yīng)力σy：拉應(yīng)力出現(xiàn)范圍主要集中在攔污柵和底板混凝土的接觸位置，最大值出現(xiàn)在模型1為3.94 MPa。且應(yīng)力峰值從模型1到模型4依次遞減。

橫河向拉應(yīng)力σz：與順河向和豎向拉應(yīng)力相比峰值較小，且影響范圍明顯減小，最大值出現(xiàn)在模型1為2.10 MPa。底板混凝土XY方向剪應(yīng)力最大值出現(xiàn)在模型1為4.15 MPa。由計(jì)算結(jié)果可知模型1各方向應(yīng)力峰值均較大，是最危險(xiǎn)的模型，模型4應(yīng)力峰值較小，但工程成本太大，設(shè)計(jì)較為保守且無實(shí)際需要。

3 結(jié)論

由進(jìn)水塔底板優(yōu)化模型計(jì)算位移和應(yīng)力的結(jié)果，可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

第一，各種模型下，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的位移總趨勢(shì)基本以流道中心線呈對(duì)稱分布。4個(gè)模型塔頂各向位移相差最大值為0.08 mm，出現(xiàn)在橫河向塔頂位移?？梢姷装搴穸鹊淖兓瘜?duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)塔體位移影響很小，差別可忽略不計(jì)。

第二，由底板混凝土應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，除模型1應(yīng)力較大區(qū)域影響范圍稍大外，其余三個(gè)模型應(yīng)力峰值區(qū)域基本一致。底板厚度太薄高應(yīng)力區(qū)域可能會(huì)貫穿底板延伸到基巖，導(dǎo)致進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的破壞，底板厚度太厚不僅增加工程成本，而且對(duì)降低拉應(yīng)力峰值及其影響區(qū)域效果并不明顯，甚至?xí)?dǎo)致拉應(yīng)力峰值的增加，如模型3較模型2底板順河向拉應(yīng)力峰值就增加了0.70MPa。

第三，模型1各方向應(yīng)力峰值均較大，是最危險(xiǎn)的模型，模型4應(yīng)力峰值較小，但工程成本太大，設(shè)計(jì)較為保守且無實(shí)際需要。模型2和模型3相對(duì)為較優(yōu)工況，建議進(jìn)水塔底板厚度取3～4m較為合理。

[1]李付長(zhǎng).白龜山水庫堤壩地震可液化地基的抗震處理[J].人民黃河,2010,32(7)：116-119.

[2]李德玉,王海波,涂勁,等.拱壩壩體-地基動(dòng)力相互作用的振動(dòng)臺(tái)動(dòng)力模型試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),2003(7)：30-35.

[3]方志,陸浩亮,王龍.土-結(jié)構(gòu)動(dòng)力相互作用研究綜述[J].世界地震工程,2006,22(1)：57-63.