泄洪洞進(jìn)水塔動靜力三維有限元分析

修林發(fā) 郭 曉 郭祥琨

（山東黃河工程集團(tuán)有限公司 山東 濟(jì)南 250013）

1 概述

某水電站樞紐主體建筑物由混凝土面板砂礫石壩、溢洪道、中孔泄洪洞、放空洞，引水發(fā)電系統(tǒng)等組成。最大水頭230m，庫容13.23億m3，最大壩高256.00m，壩頂寬度12.00m，為一等大（1）型工程，主要建筑物為1級建筑物。工程位于高震區(qū)，中孔泄洪洞的進(jìn)口塔體高約81m，塔后和塔兩側(cè)的回填混凝土高度大，泄水建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)采用50年超越概率5%的地震動峰值加速度為201.0gal，相應(yīng)地震設(shè)防烈度為Ⅷ度，加之大壩為混凝土面板砂礫石壩，泄水建筑物的重要性不言而喻。

本文對中孔泄洪洞進(jìn)水塔進(jìn)行了動靜力三維有限元分析，以驗(yàn)證泄洪洞設(shè)計(jì)的可靠性。

2 分析方法

分析計(jì)算使用有限元法，主要步驟為：結(jié)構(gòu)的離散化，單元分析，單元集成，引入約束條件，求解線性方程組，得出節(jié)點(diǎn)位移。地震反應(yīng)的計(jì)算，采用振型分解反應(yīng)譜法。

本次計(jì)算采用國際著名的大型通用有限元分析軟件ANSYS。計(jì)算中，各材料假定為線彈性材料，動力分析時(shí)不考慮動態(tài)加載對混凝土及巖體強(qiáng)度與變形參數(shù)的增強(qiáng)影響，均采用靜態(tài)值，塔體與回填混凝土固結(jié)不脫開，且地基巖體處理為無質(zhì)量地基，巖體及結(jié)構(gòu)的阻尼比統(tǒng)一取0.05。假定閘門止水可以完全發(fā)揮作用，閘門擋水時(shí)塔內(nèi)及流道均無水。

3 進(jìn)水塔模態(tài)結(jié)果分析

進(jìn)水塔自身的自振頻率應(yīng)為完建未蓄水時(shí)的頻率，此時(shí)計(jì)算的模態(tài)稱之為干模態(tài)，但由于進(jìn)水塔長期處于水的包圍之中，故考慮進(jìn)水塔的自振特性時(shí)必須考慮水體對塔的影響，將計(jì)入附加質(zhì)量后的模態(tài)稱為濕模態(tài)。考慮某個(gè)方向的地震時(shí)，在塔體垂直地震方向的迎水面和背水面的有限元節(jié)點(diǎn)上附加地震方向上的質(zhì)量。為保證后續(xù)地震反應(yīng)分析采用振型分解反應(yīng)譜法的計(jì)算精度，提取前30階振型數(shù)據(jù)，同時(shí)確保了每個(gè)方向質(zhì)量參與系數(shù)大于90%。

從計(jì)算結(jié)果看，濕模態(tài)時(shí)自振頻率較干模態(tài)時(shí)有所減小，說明水體附加質(zhì)量對進(jìn)水塔的自振特性影響比較明顯。濕模態(tài)相應(yīng)的質(zhì)量因附加質(zhì)量的計(jì)入而變大，但剛度保持不變，所以自振頻率下降，這是符合規(guī)律的。塔體和回填混凝土及周圍圍巖整體性良好，前10階振型便出現(xiàn)了四階左右的整體平動和扭轉(zhuǎn)。

在使用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行地震反應(yīng)分析時(shí)，為能較準(zhǔn)確地求出塔身反應(yīng)，必須取足夠數(shù)量的參與振型，確保含有一定數(shù)量的整體振型，否則會因所選取參與振型數(shù)量的不足，得到偏差的結(jié)果。分析中取不同階數(shù)參與振型進(jìn)行地震反應(yīng)分析，通過查看分析結(jié)果，發(fā)現(xiàn)取30階振型時(shí)，平動和扭轉(zhuǎn)方向的質(zhì)量參與系數(shù)均已達(dá)到99%以上，參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》對參與振型數(shù)的要求標(biāo)準(zhǔn)，滿足本工程的分析要求。

4 進(jìn)水塔位移結(jié)果反應(yīng)

由計(jì)算結(jié)果知在基本組合情況下塔體的位移均比較小，以豎向位移為主，順?biāo)飨蛭灰拼沃畲罂偽灰瓢l(fā)生在完建工況，說明結(jié)構(gòu)自重產(chǎn)生的變形占有較大的比例。在基本組合時(shí)位移值均較小，說明塔體和塔基的剛度比較大。偶然組合校核洪水位時(shí)總位移比正常蓄水位和設(shè)計(jì)洪水略小，因?yàn)樾：撕樗幌鄬φＰ钏驮O(shè)計(jì)洪水只是水位略有增加，而增加的水位對變形影響不顯著。

在與地震組合后的各向位移和總位移有明顯的增加，以兩個(gè)水平方向的位移為主，Y向位移在加減地震時(shí)位移明顯較大，這是由于進(jìn)水塔沿進(jìn)水方向（X向）寬度比垂直進(jìn)水方向?qū)挾却?，且塔后靠回填混凝土和山體，導(dǎo)致X方向整體剛度比Y向剛度大，地震時(shí)Y向變形更加顯著。另外，在加地震和減地震組合工況所得總的位移反應(yīng)值都比較接近，說明塔體的左右和前后地震位移反應(yīng)是比較對稱的，從側(cè)面說明塔體的剛度和質(zhì)量的分布是比較合理的。

5 不同高程塔身截面靜、動態(tài)應(yīng)力反應(yīng)

通過分析塔體在偶然組合時(shí)截面應(yīng)力分布圖和整體應(yīng)力云圖可以看出，校核洪水位時(shí)各高程處塔體均處于壓應(yīng)力階段，塔體最大應(yīng)力值小于設(shè)計(jì)洪水和正常蓄水工況，說明水位的增加反而減小了應(yīng)力的最大值，揚(yáng)壓力的托浮作用及高水位時(shí)塔體四周水體的平衡發(fā)揮了更大的作用。地震作用下，塔體有較大（相比于基本組合）的拉應(yīng)力出現(xiàn)。在加地震時(shí)塔體有大部分部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，塔底至塔20m高度范圍均處于受壓狀態(tài)，20m～55m范圍內(nèi)存在拉應(yīng)力，其從下往上拉應(yīng)力分布規(guī)律為：從兩側(cè)小范圍拉應(yīng)力開始發(fā)展，四個(gè)棱角拉應(yīng)力出現(xiàn)，范圍增大，此位置向上、向下及兩側(cè)應(yīng)力迅速衰減。減地震時(shí)塔體整體無拉應(yīng)力出現(xiàn)，出現(xiàn)在塔體與回填混凝土交界面處，范圍不大，小于混凝土抗壓強(qiáng)度。

檢修工況下，檢修閘門關(guān)閉，前止水，塔內(nèi)腔及其后隧洞內(nèi)無水。閘門后的塔基表面及塔后孔口上下沿存在拉應(yīng)力區(qū)，這主要是由于向上的揚(yáng)壓力及塔體自重而引起的，由于塔內(nèi)沒有水體作用，不能與塔基的揚(yáng)壓力平衡；塔后隧洞和塔體自重相差較大，這些原因?qū)е聶z修工況閘門后塔基有較小拉應(yīng)力存在。對比完建工況，檢修工況下內(nèi)外水壓力不平衡是以上部位出現(xiàn)拉應(yīng)力的主要原因。檢修工況下，塔基出現(xiàn)了小范圍的拉應(yīng)力，若要減小此處拉應(yīng)力，建議增加塔基底板厚度、降低水位、減小開口大小等措施。

從模擬結(jié)果可以看出，在基本組合和校核洪水時(shí)，塔體豎向不會出現(xiàn)壓碎或者拉裂混凝土的情況，進(jìn)水塔體型設(shè)計(jì)和材料使用可以滿足抗震和正常運(yùn)行要求。地震工況塔體表面及一定深度有大范圍拉應(yīng)力，因此需要配置鋼筋以保證混凝土不被拉裂，混凝土滿足抗壓要求。

6 結(jié)論和建議

6.1 結(jié)論

針對本樞紐進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)，根據(jù)現(xiàn)行水工抗震規(guī)范所確定的原則、方法和評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，使用數(shù)值方法進(jìn)行了靜、動態(tài)分析。根據(jù)分析評價(jià)結(jié)果，可得以下結(jié)論：

1 泄洪洞進(jìn)水塔干、濕模態(tài)分析中，水體附加質(zhì)量對塔體的動力特性有較大影響，各階自振頻率普遍降低。

2 塔體在基本組合和校核洪水位時(shí)位移比較小，以豎向位移為主，順?biāo)飨蛭灰拼沃?。完建工況時(shí)總位移值最大且為順?biāo)鞣较?，這是由于塔體僅有自重，自重起了控制作用。在與地震組合后的位移有較大的增加，以Y方向的位移為主。地震對塔體的位移影響比較顯著，但相對于81m高的塔體而言這個(gè)位移是比較小的。另外，在加地震和減地震組合工況所得總的位移反應(yīng)值都比較接近，說明塔體的左右和前后地震位移反應(yīng)是比較對稱的，也從側(cè)面說明塔體的剛度和質(zhì)量的分布是比較合理的。

3 在基本組合和校核洪水位時(shí)塔體沿不同高度的橫剖面上的正應(yīng)力基本都為壓應(yīng)力，最大值沒有超過-5.0MPa，部分工況出現(xiàn)了較小的拉應(yīng)力，最大拉應(yīng)力僅為0.159MPa，此值出現(xiàn)在完建工況下塔體進(jìn)水口上唇，但范圍較小，對塔體不構(gòu)成威脅。塔體的應(yīng)力分布在不同高度時(shí)主要控制因素在不斷變化，這些因素包括塔體的自重、截面的大小、靜水壓強(qiáng)的大小等。校核洪水位時(shí)各高程處塔體均處于壓應(yīng)力階段，塔體最大應(yīng)力值小于設(shè)計(jì)洪水和正常蓄水工況，說明水位的增加反而減小了應(yīng)力的最大值，揚(yáng)壓力的托浮作用及高水位時(shí)塔體四周水體的平衡發(fā)揮了更大的作用。

6.2 建議

1 完建工況和檢修工況下，塔基上表面都有數(shù)值很小的拉應(yīng)力，這是由于開孔結(jié)構(gòu)，兩側(cè)墻較薄，在自重作用下容易出現(xiàn)此情況，通過對比檢修工況和完建工況應(yīng)力分布可以看出，檢修工況時(shí)塔底部的揚(yáng)壓力容易導(dǎo)致塔基后半部分力不平衡，從而在上表面出現(xiàn)拉應(yīng)力。若要改善完建工況和檢修工況拉應(yīng)力情況，可以增加進(jìn)口左右兩側(cè)墻厚度或減小開孔尺寸。

2 承載力極限狀態(tài)的偶然狀況時(shí)（地震工況），由于反應(yīng)譜法求出的均為正值，而地震作用是往復(fù)的，所以地震作用需按照加、減地震考慮，各截面的法向應(yīng)力的最小值，即最大的壓應(yīng)力出現(xiàn)在減地震工況，最大拉應(yīng)力值出現(xiàn)在加地震。地震作用下，塔體有較大（相比于基本組合）的拉應(yīng)力出現(xiàn)。在加地震時(shí)塔體有大部分部位出現(xiàn)拉應(yīng)力，塔底至塔20m高度范圍均處于受壓狀態(tài)，20m～55m范圍內(nèi)存在拉應(yīng)力，其從下往上拉應(yīng)力分布規(guī)律為：從兩側(cè)小范圍拉應(yīng)力開始發(fā)展，四個(gè)棱角拉應(yīng)力出現(xiàn)，范圍增大，在42m高度時(shí)，塔體后側(cè)兩棱角部位應(yīng)力值達(dá)到最大值3.03MPa，此位置向上、向下及兩側(cè)應(yīng)力迅速衰減。減地震時(shí)塔體整體無拉應(yīng)力出現(xiàn)，最大壓應(yīng)力6.272MPa，出現(xiàn)在塔體與回填混凝土交界面處，范圍不大，小于混凝土抗壓強(qiáng)度。陜西水利

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