地震作用下某水電站進水口攔污柵墩塔間設置八字形連梁影響分析研究

袁 潔，張俊發(fā)

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.西安理工大學土木建筑工程學院，陜西 西安 710048）

地震作用下某水電站進水口攔污柵墩塔間設置八字形連梁影響分析研究

袁 潔1，張俊發(fā)2

（1.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072；2.西安理工大學土木建筑工程學院，陜西 西安 710048）

對某水電站3號進水口攔污柵墩塔間設置八字形連梁與不設置八字形連梁兩種情況在地震作用下的影響進行了分析。結果表明：取消八字形連梁對攔污柵墩的受力影響不大，對普通連梁的彎矩影響較大，主要表現(xiàn)在垂直于進水方向地震作用下，八字形連梁高程處墩塔普通連梁的彎矩較未取消八字連梁前增加接近一倍。本研究結果可為水電站進水口設計提供科學依據(jù)和技術支撐。

進水口；八字梁；地震作用

1 工程概況

某水電站是瀾滄江中下游河段的第一級水電站，壩址控制流域面積9.72萬km2，多年平均流量1 010 m3／s。工程開發(fā)任務以發(fā)電為主。電站裝機4臺，總裝機容量900 MW，多年平均年發(fā)電量40.41億kW·h。樞紐工程由碾壓混凝土重力壩（最大壩高105 m）、壩身泄水建筑物、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)及地面開關站等建筑物組成。

電站進水口采用“一機一孔”布置方式，共四孔，從左至右依次為1～4號進水口，每孔間布置結構縫；進水閘頂部總長度122 m，其中1號進水閘長38 m，其他三孔閘均為28 m。各孔閘順水流方向由攔污柵、閘門、啟閉機布置及交通要求確定頂寬為30.5 m（包括上游牛腿），依次分為攔污柵段、連接段、閘室段和方變圓漸變段。攔污柵采用通倉式布置，設置有主、副兩道攔污柵，主、副柵均分為5孔。閘室段設置有平板檢修閘門槽和快速事故閘門槽各一道，檢修門孔口尺寸為11 m×12 m，事故門孔口尺寸為11 m×11 m，每個事故門后設兩個通氣孔，通至1 310 m高程。事故閘門后以長度約16.7 m的方變圓漸變管段與直徑11 m的引水隧洞連接。

進水口攔污柵及閘室規(guī)模較大，進水口內(nèi)設置的檢修門槽、工作門槽以及引水管等孔洞導致其成為復雜的空間結構，同時進水口還承受上游水庫水壓力，且工程區(qū)地震烈度較高，攔污柵、進水口結構的靜、動力結構反應是設計時十分關心的問題。為評價進水口的靜、動力結構強度、穩(wěn)定情況，評價目前的進水口設計方案，為施工詳圖設計工作提供依據(jù)，有必要對進水口結構進行計算分析研究。設計方案中，攔污柵的3號、4號墩位于進水洞口的正前方。在進水洞口高度范圍內(nèi)，3號、4號墩與塔身的連梁只能連于洞口的左右兩側，從平面圖上看呈八字形，故稱八字形連梁。本研究結合3號進水口對八字形連梁的受力特點和取消八字形連梁后的影響進行分析。

2 計算基本資料

2.1 進水口地質條件

進水口位于右岸6號、7號溝之間中陡斜坡下部（坡度35°～40°），地形較整齊。該部位邊坡高陡，除局部小沖溝內(nèi)分布有少量洪積碎石土外，大部分地段基巖裸露。進水口基礎巖性以變質砂巖、石英砂巖為主（占64%以上），建基高程1 245～1 275.50 m，進入弱風化中，屬Ⅲ1類巖體。

巖層產(chǎn)狀為NW 350°SW∠65°。巖體中斷層、裂隙較發(fā)育，斷層主要為NW 335°～360°SW∠60°～80°的一組；斷層規(guī)模較小，破碎帶寬度一般為10～50 cm，多充填巖屑、巖塊及少量斷層泥，未膠結。

2.2 地震烈度

根據(jù)DL5073－2000《水工建筑物抗震設計規(guī)范》，本工程抗震設防類別為乙類，其設防烈度為Ⅶ度。根據(jù)場地50年、100年不同超越概率水平的地震烈度值計算結果，壩址場地50年超越概率為10%時地震烈度值為Ⅶ度，100年超越概率為2%時地震烈度值為Ⅷ度。壩址場地50年超越概率10%基巖水平加速度峰值為143.1 Gal，100年超越概率2%基巖水平加速度峰值為257.1 Gal。

2.3 基巖、混凝土力學參數(shù)

（1）基巖。有限元計算中主要材料的物理力學參數(shù)見表1。建基面摩擦系f′＝0.75；建基面粘聚力c＝600 kN／m2；回填石渣容重γ＝22 kN／m3；石渣內(nèi)摩擦角為35°。

表1 主要材料的物理力學參數(shù)

（2）混凝土。攔污柵排架混凝土采用C25，進水口閘體均按C20混凝土考慮。

3 計算原理和方法

本文計算分析主要按照《水工建筑物抗震設計規(guī)范》［4］執(zhí)行，但因規(guī)范［4］對結構變形的驗算未作規(guī)定，故本文對地震作用下的變形驗算參照《建筑抗震設計規(guī)范》中的規(guī)定執(zhí)行。內(nèi)力分析及變形計算使用有限元法，基本方程如下［1－3］：

3.1 對于靜力問題

式中 ［K］——為總體剛度矩陣；

｛U｝——為結構結點位移向量；

｛F｝——為荷載向量。

3.2 對于地震作用的動力問題

式中 ［M］、［C］、［K］——分別為總體質量、阻尼和剛度矩陣；

可以使用振型分解法將（2）式的聯(lián)立微分方程組變?yōu)楠毩⒌奈⒎址匠探M，進而可使用振型疊加法求結構的動力響應。

地震反應的計算，采

用振型分解反應譜法［1，2］。分別對沿進水方向（x向）和垂直于進水方向（y向）的地震輸入進行了計算，沿x向、y向單向水平地震作用下所得的地震作用效應采用完全二次型方根法（CQC法）各振型的反應組合，計算按下式［4，5］進行：

式中 ζ——為地震作用折減系數(shù)，對鋼筋混凝土結構，內(nèi)力反應取ζ＝0.35，位移反應取ζ＝1.0；

SEk——地震作用效應標準值；

Si、Sj——分別為第i階、第j階振型的地震作用效應；

m——計算采用參與振型數(shù)；

ρij——第i階和第j階的振型相關系數(shù)；ζi、ζj——分別為第i階、第j階振型的阻尼比，本報告中均取0.05；

γω——圓頻率比，γω＝ωj／ωi；

ωi、ωj——分別為第i階、第j階振型的圓頻率。

由（3）式或（4）式可見，采用振型分解反應譜法計算地震反應時，所得地震作用效應為正值，因此，在與其他荷載工況組合時，須按“＋地震作用”和“－地震作用”兩種情況去考慮［6，7］。如最大拉應力是由“＋地震作用”的組合工況去確定，而最大壓應力則是由“－地震作用”的組合工況去確定。再如由“＋X地震作用”的組合工況所得結構某截面的正應力云圖中出現(xiàn)的拉應力區(qū)，是表示沿X方向往復地震動所引起的，這和不同靜力荷載工況組合下的結果有所不同。

本報告采用振型分解反應譜法計算地震反應，使用規(guī)范［4］中的反應譜（見圖1）?？紤]到進水口坐落于基巖之上，場地類別定為Ⅰ類，按照規(guī)范［4］第4.3．6條的規(guī)定，反應譜特征周期取值為Tg＝0.2 s。地面水平加速度峰值ah取壩址場地50年超越概率10%基巖水平加速度峰值，即為143.1 Gal，動力系數(shù)最大值βmax取為2.25，由此推出的水平向加速度反應譜如圖2所示。

圖1 《水工建筑物抗震設計規(guī)范》中的反應譜

圖2 水平向地震加速度反應譜

進水口地震作用效應的動力效應分析須考慮塔內(nèi)外水體的影響，本研究采用了規(guī)范［4］第10.1.6條推薦的附加質量法加以考慮。

在本研究的計算中，分下列5種單獨荷載作用情況（見表2），不同的分析工況（荷載組合工況）由它們組合計算。

表2 計算中的荷載情況

承載能力設計中，應采用下列極限狀態(tài)設計表達式：

本進水口屬2級水工建筑物，重要性系數(shù)取為1.0。結構系數(shù)γd取為1.20。用于承載力設計的各工況各系數(shù)取值如表3。需要特別指出的是，建筑規(guī)范中采用兩階段設計的方法，分別基于多遇地震和罕遇地震，給出了多遇地震下的彈性變形限值。而水工規(guī)范采用的是基于偶遇地震（基本設防對應地震動參數(shù)）的一階段設計方法，兩者不一致。但對偶遇地震的作用效應乘以0.35的折減系數(shù)以后，則和建筑規(guī)范中的多遇地震是基本一致的。

表3 不同分析工況下承載能力設計中各系數(shù)取值

結構構件正常使用極限狀態(tài)應分別按作用（荷載）效應的短期組合和長期組合進行設計。對短期組合，應采用下列設計表達式：對長期組合，應采用下列設計表達式：

式中 c1、c2——為結構的功能限值；

Ss、S1——為作用（荷載）效應短期組合和長期組合式的功能函數(shù)；

fk——為材料強度標準值；

ρ——為可變作用標準值的長期組合系數(shù)；γd3、γd4——為正常使用極限狀態(tài)短期組

合、長期組合的結構系數(shù)。

地震作用下的變形驗算根據(jù)《建筑抗震設計規(guī)范》可采用下式：SE（·）≤c3，其中，SE為地震作用效應的功能函數(shù)；c3為結構的功能限值。

4 墩塔間設置八字形連梁的影響分析

4.1 八字形連梁的受力特點

本研究采用有限元結構分析軟件進行靜動力分析［8］。圖3～5給出了進水方向地震作用下，八字形連梁所在高程的各墩塔間連梁的彎矩My、剪力Fy和軸力FN。可見：八字形連梁承受的彎矩略小于普通連梁；剪力不及普通連梁的一半；但軸力是普通連梁的3倍左右。

圖6～8給出了垂直于進水方向地震作用下，八字形連梁所在高程的各墩塔間連梁的彎矩Mz、剪力Fx和軸力FN?？梢姡喊俗中芜B梁承受的彎矩略小于普通連梁；剪力略小于普通連梁；但軸力是普通連梁的10倍左右。最后一點是八字形連梁的重要受力特點之一。八字形連梁所在高程的各墩塔間連梁與前方的墩間連梁、后方的塔身，可認為形成一個框架結構體系。但八字形連梁因斜向布置，類似于桁架結構中的斜腹桿，在垂直于進水方向地震作用下，塔、墩間會產(chǎn)生左右錯動，導致八字形連梁產(chǎn)生很大的軸力，隨著地震作用的往復，八字形連梁軸力時拉時壓，這一受力特點，設計中應予以考慮。

圖3 3號進水口進水方向地震作用下八字梁彎矩（My）（單位：N·m）

圖4 3號進水口進水方向地震作用下八字梁軸力（N）（單位：N）

圖5 3號進水口進水方向地震作用下八字梁剪力（Fz）（單位：N）

圖6 3號進水口垂直于進水方向地震作用下八字梁彎矩（Mz）（單位：N·m）

圖7 3號進水口垂直于進水方向地震作用下八字梁軸力（N）（單位：N）

圖8 3號進水口垂直于進水方向地震作用下八字梁剪力（Fy）（單位：N）

4.2 取消八字形連梁后的影響分析

八字形連梁位于進水洞口的正前方，會影響到進水的流態(tài)，從水力學的角度分析，取消它為佳。下邊對取消八字形連梁后從結構受力上的影響進行分析。

圖9～10給出取消八字形連梁后在進水方向地震下墩的彎矩My圖，和整體結構x向位移圖。與原設計比較：

（1）墩的彎矩My在八字形連梁的高程處有了明顯的增加。最大值仍發(fā)生于中上部，最大值為1 150 kN·m，反而比原方案的1 240 kN·m降低了7.26%；

（2）整體結構x向位移為4.53 mm，比原設計的4.49 mm僅高出了0.9%。

圖11～13給出取消八字形連梁方案在垂直于進水方向地震下墩的彎矩Mx圖、八字形連梁的高程處墩塔連梁的彎矩Mz圖和整體結構y向位移圖。與原設計比較：

（1）墩的彎矩Mz在八字形連梁的高程處有了明顯的增加。最大值仍發(fā)生于中部及下部，最大值為1 130 kN·m，比原方案的816 kN·m高出了38.5%；

（2）八字形連梁的高程處墩塔普通連梁的彎矩Mz的最大值為185.3 kN·m，比原方案的95.2 kN ·m高出了94.6%；

（3）整體結構y向位移為11.01 mm，比原方案的10.05 mm高出了9.56%。

從以上分析可見：取消八字形連梁對攔污柵墩的受力影響不大；在垂直于進水方向地震下八字形連梁的高程處墩塔普通連梁的彎矩Mz將近增加一倍。

圖9 3號進水口去八字梁后進水方向地震作用下攔污柵墩彎矩（My）（單位：N·m）

圖10 3號進水口去八字梁后進水方向地震作用下的x向位移（m）（標準值）

圖11 3號進水口去八字梁后垂直于進水方向地震作用下攔污柵墩彎矩（Mx）（單位：N·m）

圖12 3號進水口去八字梁后垂直于進水方向地震作用下彎矩（Mz）（單位：N·m）

圖13 3號進水口去八字梁后垂直于進水方向地震作用下的y向位移（m）（標準值）

5 結論與討論

通過對某水電站3號進水口攔污柵墩塔間是否設置八字形連梁兩種情況在地震作用下的影響進行分析，可以得出以下結論：取消八字形連梁對攔污柵墩的受力影響不大，對普通連梁的彎矩影響較大，主要表現(xiàn)在垂直于進水方向地震作用下，八字形連梁高程處墩塔普通連梁的彎矩較未取消八字連梁前增加接近一倍。本研究結果可為水電站進水口設計提供科學依據(jù)和技術支撐。

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1003－9805（2015）02－0010－05

2014－07－10

袁 潔（1983－），女，河南許昌人，碩士，研究方向為水電工程結構計算。