景洪水力式升船機(jī)高聳薄壁混凝土塔樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究

朱國(guó)金，胡靈芝，凌 云，謝思思

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明，650051）

景洪水力式升船機(jī)高聳薄壁混凝土塔樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性研究

朱國(guó)金，胡靈芝，凌 云，謝思思

（中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，云南昆明，650051）

采用動(dòng)力模型試驗(yàn)和有限元?jiǎng)恿Ψ治鰞煞N手段，對(duì)景洪水電站水力式升船機(jī)塔樓結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行分析研究，在此基礎(chǔ)上對(duì)水力升船機(jī)塔樓這種新型結(jié)構(gòu)抗震安全性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。結(jié)果表明：動(dòng)力模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值計(jì)算的結(jié)果基本一致，塔樓結(jié)構(gòu)形式合理，但由于結(jié)構(gòu)較為單薄，其動(dòng)力響應(yīng)較為復(fù)雜，許多部位出現(xiàn)較大的動(dòng)應(yīng)力，需要采取工程措施來(lái)改善這些部位的應(yīng)力狀況。

水力式升船機(jī)；塔樓結(jié)構(gòu)；高聳薄壁混凝土結(jié)構(gòu)；動(dòng)力模型試驗(yàn)；數(shù)值分析

景洪水電站水力式升船機(jī)塔樓作為升船機(jī)的主體建筑物，是整個(gè)升船機(jī)承載基礎(chǔ)，分為上游段和下游段，由底板、左右塔柱、頂部聯(lián)系梁組成，總高度92 m（不包括頂部機(jī)房）。左右塔柱作為升船機(jī)承船廂的支承、導(dǎo)向和限位結(jié)構(gòu)，塔柱內(nèi)部布置充泄水系統(tǒng)，其上部豎井為平衡浮筒的運(yùn)行通道。塔樓為高聳結(jié)構(gòu)，單個(gè)塔柱的高寬比為7.93，是典型的高柔建筑物，對(duì)地震作用十分敏感。關(guān)于采用何種結(jié)構(gòu)形式，業(yè)界提出如鋼結(jié)構(gòu)、鋼骨混凝土結(jié)構(gòu)等多種方案，但是均受升船機(jī)機(jī)械系統(tǒng)、輸水系統(tǒng)布置的協(xié)調(diào)性等方面影響，最終選取鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)作為塔樓結(jié)構(gòu)方案，其抗震性能直接決定水力式升船機(jī)的成敗，因此對(duì)其動(dòng)力特性進(jìn)行專項(xiàng)研究是非常有必要的[1-5]。

塔樓這種高聳中空薄壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)分析尚未有規(guī)程規(guī)范指導(dǎo)，尤其是水力式升船機(jī)布置輸水系統(tǒng)使得塔樓結(jié)構(gòu)形式較常規(guī)升船機(jī)的塔樓結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜很多，且輸水系統(tǒng)和豎井系統(tǒng)在升船機(jī)運(yùn)行過(guò)程中頻繁充泄水使其受力條件也極其復(fù)雜，導(dǎo)致塔樓結(jié)構(gòu)在地震工況下動(dòng)力響應(yīng)非常復(fù)雜，難以把握。

基于此，采用數(shù)值計(jì)算和模型試驗(yàn)兩種方法對(duì)景洪水力式升船機(jī)塔樓結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行深入研究，為塔樓結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)提供科學(xué)、合理的依據(jù)，同時(shí)也為這種新型結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)提供借鑒。

1 塔樓基本結(jié)構(gòu)形式

景洪水力式升船機(jī)塔樓采用高柔全筒式結(jié)構(gòu)，高92 m，上下游方向長(zhǎng)76.6 m，在中部設(shè)置縱向結(jié)構(gòu)縫，橫河向?qū)挒?0 m。以升船機(jī)中心線為軸線，左右對(duì)稱布置了兩個(gè)寬為11.6 m的塔柱，每個(gè)塔柱內(nèi)分別設(shè)置了8個(gè)豎井，豎井高為72 m，底高程為542.00 m。豎井在594.50 m高程以上為方形斷面、以下為圓形斷面，斷面尺寸分別為7.2 m×7.9 m、?6.5 m。豎井隔墻在594.5 m高程以上厚1.85 m、594.5 m高程以下為2.55 m。為了使各豎井間水位在充泄水過(guò)程中能最大限度地同步上升或下降，在豎井底部542.00 m高程設(shè)了豎井連通廊道，廊道斷面為城門洞型，尺寸為2.0 m×4.0 m（寬×高）。

左右塔柱中間空腔為船廂池，是升船機(jī)承船廂的運(yùn)行空間，寬16.8 m，底高程為528.50 m。船廂池底板厚6.5 m，底板中設(shè)有直徑?2.5 m等慣性輸水管道。

塔樓頂部設(shè)置了聯(lián)系左右兩塔柱的鋼筋混凝土大梁，梁高3.5 m、寬2 m，共11根，如圖1所示。

圖1 景洪水力式升船機(jī)塔樓結(jié)構(gòu)（尺寸及高程單位：m）Fig.1 Sketch of the hydraulic drive ship tower(in meters)

2 塔樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力模型試驗(yàn)研究

2.1 試驗(yàn)內(nèi)容和試驗(yàn)方法

試驗(yàn)內(nèi)容包括：（1）確定塔樓結(jié)構(gòu)的自振特性，研究結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性；（2）分析在7度地震荷載作用下塔樓結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)，進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震能力分析和評(píng)價(jià)。

原型結(jié)構(gòu)的塔樓采用C25號(hào)混凝土，動(dòng)彈性模量為36.4×104MPa，泊松比為0.167，鋼筋混凝土密度為2 500 kg/m3。設(shè)計(jì)地震烈度為Ⅶ度，地面運(yùn)動(dòng)最大加速度為0.11g（g為重力加速度）。

由于水力式升船機(jī)塔樓的塔柱豎井內(nèi)需要充水，利用水能作為提升動(dòng)力，模型試驗(yàn)不但要模擬混凝土材料，還需要模擬豎井內(nèi)的水。眾所周知，若在模型結(jié)構(gòu)中按一定的相似縮尺模擬水材料是十分困難的，故在可能的情況下，尤其是動(dòng)力相互作用試驗(yàn)研究時(shí)，原型中的水材料盡可能在模型中仍用水來(lái)模擬，因此，要求其重度相似比Cγw＝1，這也就意味著強(qiáng)制結(jié)構(gòu)材料相似比Cs=1，即要求模型材料的重度（密度、比重）要等于原型材料的數(shù)值，要求在模型中模擬混凝土的材料的重度也要達(dá)到25 kN/m3。另外，由于加載設(shè)備的限制和量測(cè)精度的要求，希望模型結(jié)構(gòu)材料彈模相對(duì)要低、材料強(qiáng)度適當(dāng)，還有較好的防滲性和溫度、濕度穩(wěn)定性。

因此，水-結(jié)構(gòu)相互作用體系的模型試驗(yàn)研究對(duì)水工混凝土的模擬提出了高重度、低彈模、強(qiáng)度適當(dāng)、防滲、穩(wěn)定等嚴(yán)格要求。

傳統(tǒng)的石膏、有機(jī)玻璃等模型材料均不滿足相似要求，加重橡膠雖然重度較高，但因材料非線性和溫度穩(wěn)定性等問(wèn)題而不適宜。經(jīng)反復(fù)比對(duì)、研究，并查閱大量的文獻(xiàn)資料后，最終確定采用以環(huán)氧樹脂等材料組成的復(fù)合材料模擬水工混凝土的方案。在綜合考慮了試驗(yàn)設(shè)備條件之后，主要原型、模型相似常數(shù)選定如下：幾何尺寸CL＝50、密度Cρ=1、應(yīng)變Cε＝9.07、加速度Ca＝1。

模型試驗(yàn)選取塔樓上游特征段作為研究對(duì)象，在模型的關(guān)鍵部位布置了加速度、位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，如圖2所示。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

試驗(yàn)測(cè)得的塔樓結(jié)構(gòu)自振特性列于表1，結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性均以水平振動(dòng)為主，在所分析的頻段內(nèi)，未發(fā)現(xiàn)以垂直振動(dòng)為主的結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性。

圖2 模型試驗(yàn)裝置Fig.2 Test rig of the tower

表1 塔樓結(jié)構(gòu)自振頻率試驗(yàn)值Table 1 Test value of natural frequency of tower

分析結(jié)構(gòu)自振特性可知，在結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性試驗(yàn)系統(tǒng)識(shí)別的4階模態(tài)中，塔樓結(jié)構(gòu)橫河向振型分別為1階、4階，無(wú)水狀態(tài)較有水狀態(tài)頻率分別下降8.6%和3%?？疾鞕M河向塔樓模型結(jié)構(gòu)的傳遞函數(shù)，結(jié)構(gòu)無(wú)論在無(wú)水狀態(tài)還是有水狀態(tài)下，第4振型的放大倍數(shù)均大于第1振型的共振放大倍數(shù)較多，說(shuō)明升船機(jī)塔樓結(jié)構(gòu)在橫河向?qū)Φ?振型振動(dòng)分量的響應(yīng)將要大很多，并且有水情況下模態(tài)振動(dòng)的放大倍數(shù)將增大。塔樓結(jié)構(gòu)2階、3階模態(tài)振型為順河向振型，該方向第2階振型的共振放大效應(yīng)要明顯大于第3階。

需要指出的是，模態(tài)分析表明，第3階、第4階振型有扭曲振動(dòng)趨勢(shì)，塔樓原型結(jié)構(gòu)在垂直方向呈數(shù)倍的類似“共振”放大效應(yīng)，即垂直向加速度放大倍數(shù)在某些頻段內(nèi)急劇增大。對(duì)升船機(jī)塔樓的高聳薄壁結(jié)構(gòu)，水平振動(dòng)引起了較大的結(jié)構(gòu)垂直向響應(yīng)（即P-Δ效應(yīng)），值得關(guān)注。

2.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

地震模擬振動(dòng)臺(tái)輸入的地震波采用人工地震波。人工地震波阻尼比取5%，時(shí)間T經(jīng)時(shí)間（周期）相似常數(shù)換算后，得到模型所要求的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜RRS，再設(shè)計(jì)生成人工波。頻率范圍為5～100 Hz，振動(dòng)持時(shí)3s，水平加速度取0.1g，垂直加速度為1/15g。試驗(yàn)時(shí)，人工波的水平、垂直加速度時(shí)程同時(shí)輸入振動(dòng)臺(tái)系統(tǒng)，量測(cè)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)變響應(yīng)、加速度響應(yīng)和位移響應(yīng)。

表2給出塔樓頂部動(dòng)位移測(cè)值，由于實(shí)測(cè)的位移是包括基礎(chǔ)剛性位移在內(nèi)的絕對(duì)位移，因此換算到原型就較大。試驗(yàn)測(cè)得的結(jié)構(gòu)頂部最大豎向動(dòng)位移很小，模型位移在傳感器最小精度之內(nèi)（μm數(shù)量級(jí)）。結(jié)構(gòu)自重制約了豎向地震動(dòng)位移。

表3列出了塔樓結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的動(dòng)應(yīng)力響應(yīng)測(cè)值。

表2 塔樓頂部位移試驗(yàn)值Table 2 Test value of displacement at the top of tower

3 塔樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

由于在塔樓中間部位設(shè)置了結(jié)構(gòu)縫，為此選取塔樓上游特征段為計(jì)算模型。塔樓結(jié)構(gòu)三維模型見圖3，模型模擬了豎井、輸水系統(tǒng)管道、連通廊道、檢修廊道、聯(lián)系梁等結(jié)構(gòu)，模型絕大部分采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，豎井鋼襯采用4節(jié)點(diǎn)殼體單元（如圖4所示），模型共劃分44 912個(gè)單元，共有51 647個(gè)節(jié)點(diǎn)。

表3 塔樓關(guān)鍵部位應(yīng)力試驗(yàn)值Table 3 Test value of stress at key points

圖3 塔樓三維有限元模型Fig.3 3D finite element model of tower

圖4 豎井系統(tǒng)模型Fig.4 Model of shaft system

3.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性

在計(jì)算中，假設(shè)地基無(wú)質(zhì)量，機(jī)電荷載（包括卷?yè)P(yáng)機(jī)基礎(chǔ)荷載、重力平衡塊重及船廂重）作為集中質(zhì)量施加。塔樓（包括底板、塔柱、頂部廠房及連接大梁）的質(zhì)量按有限元中的“集中質(zhì)量矩陣”計(jì)算。計(jì)算得到的塔樓自振頻率（無(wú)水）見表4。

3.3 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

表5給出了塔樓頂部高程614.0 m的動(dòng)位移計(jì)算值。

表4 塔樓結(jié)構(gòu)自振頻率的計(jì)算值Table 4 Calculated value of natural frequency of tower

表5 塔頂位移計(jì)算值Table 5 Calculated value of displacement at the top of tower

表6給出了塔樓關(guān)鍵部位動(dòng)應(yīng)力計(jì)算值。

4 塔樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性分析

分析塔樓結(jié)構(gòu)的模型試驗(yàn)和有限元數(shù)值計(jì)算成果，可知：

（1）塔樓結(jié)構(gòu)數(shù)值計(jì)算結(jié)果與動(dòng)力試驗(yàn)成果揭示的塔樓結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)力的規(guī)律基本一致。

（2）由于動(dòng)力試驗(yàn)和有限元數(shù)值計(jì)算對(duì)邊界條件的模擬手段不同，導(dǎo)致兩者結(jié)果存在一定的差異。動(dòng)力試驗(yàn)中，地基邊界無(wú)約束，在地震輸入時(shí)會(huì)有一定的響應(yīng)放大，故試驗(yàn)時(shí)測(cè)得的結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)比計(jì)算值要高。

（3）塔樓結(jié)構(gòu)豎井內(nèi)充水與否對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)有一定的影響。豎井充水使得結(jié)構(gòu)自振頻率有一定下降，但動(dòng)應(yīng)力、動(dòng)位移等響應(yīng)有時(shí)增加，有時(shí)減小。以動(dòng)應(yīng)力為例，有水時(shí)的響應(yīng)較之于無(wú)水時(shí)，增加或減少幅度都可能達(dá)到或超過(guò)20%。

表6 塔樓關(guān)鍵部位應(yīng)力計(jì)算值Table 6 Calculated value of stress at key points

（4）塔柱結(jié)構(gòu)的前10階振型以橫河向振型為主，并有順河向振型和扭曲振型出現(xiàn)。塔樓結(jié)構(gòu)的自振頻率呈由低階到高階越來(lái)越密集的分布。結(jié)構(gòu)的低頻主要是整體結(jié)構(gòu)的振型，而高階振型為復(fù)雜的空間形式。

（5）在地震荷載作用下，由于塔樓結(jié)構(gòu)自身的橫河向剛度不大，使結(jié)構(gòu)橫河向的動(dòng)應(yīng)力較大，尤其是塔樓頂部連接左右兩塔柱的聯(lián)系梁因自身較為薄弱，與和它相連的兩塔柱的剛度相差很大，故在它與塔柱連接部位出現(xiàn)較大的橫河向動(dòng)應(yīng)力。與此同時(shí)，船廂池底板與塔柱交接處也出現(xiàn)較大的豎向動(dòng)應(yīng)力。

（6）塔樓結(jié)構(gòu)在地震工況下，最大應(yīng)力超過(guò)混凝土強(qiáng)度的部位需采取一定的抗震措施，如提高危險(xiǎn)部位的混凝土標(biāo)號(hào)或進(jìn)行平滑處理，增加倒角等，減小應(yīng)力集中，以提高結(jié)構(gòu)抗震安全性。

5 結(jié)語(yǔ)

采用模型試驗(yàn)與數(shù)值計(jì)算兩種方法，對(duì)景洪水電站水力式升船機(jī)塔樓動(dòng)力特性和動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：

（1）試驗(yàn)與計(jì)算所得的結(jié)構(gòu)自振特性（自振頻率、振型）、結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)（應(yīng)力、位移、加速度）分布規(guī)律基本一致。

（2）塔樓的結(jié)構(gòu)形式合理可行，滿足水力式升船機(jī)承船廂運(yùn)行及輸水系統(tǒng)和豎井系統(tǒng)布置的要求。

（3）塔樓頂部聯(lián)系大梁對(duì)提高塔樓結(jié)構(gòu)整體剛度有一定貢獻(xiàn)，但由于聯(lián)系大梁剛度較左右兩塔柱剛度相差許多，故在聯(lián)系梁與塔柱連接處出現(xiàn)了較大的橫河向動(dòng)應(yīng)力。建議在結(jié)構(gòu)動(dòng)應(yīng)力較大部位加強(qiáng)配筋，或局部調(diào)整該處的截面面積，以提高結(jié)構(gòu)抗震安全性。

（4）研究成果可作為水力式升船機(jī)塔樓這種新型結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的依據(jù)。

景洪水力式升船機(jī)塔樓于2010年初完工，2011年初至今進(jìn)行了多次帶水調(diào)試，經(jīng)歷了2011年“3·24”緬甸7.2級(jí)地震和2014年“10·7”景谷6.6級(jí)地震考驗(yàn)，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明塔樓結(jié)構(gòu)在各種靜動(dòng)力工況下受力狀態(tài)正常，驗(yàn)證了研究成果合理可行。 ■

[1]胡曉,陳厚群,王濟(jì).清江隔河巖水利樞紐垂直升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)研究[J].水利學(xué)報(bào),1998,12:38-41.

[2]紐新強(qiáng).三峽升船機(jī)結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題研究[D].武漢:華中科技大學(xué),2005.

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[5]陳厚群,胡曉,王濟(jì),等.三峽升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)抗震試驗(yàn)研究[J].地震工程與工程振動(dòng),1999,19(1):47-56.

作者郵箱：278497571@qq.com

Research on dynamic behavior of concrete tower with lofty thin-wall structures of hydraulic drive ship lift of Jinghong hydropower station

by ZHU Guo-jin,HU Ling-zhi,LING Yun and XIE Si-si
Pow?erChina Kunming Engineering Corporation Limited

The dynamic vibration model test and FEM-based numerical calculation are adopted to study the seismic performance and further to comprehensively evaluate aseismic safety of the tower structure. The results from model test and finite element calculation are in line with each other.The results show that the form of tower structure is relatively reasonable,but dynamic response is relatively complex due to the thin structure.Large dynamic stress appear in many parts of the tower,which need corresponding engineering measures.The research can provide a scientific basis for seismic design of similar struc?tures.

hydraulic drive ship lift;tower structure;lofty thin-wall concrete structure;dynamic model test;numerical calculation

TV312

B

1671-1092（2016）05-0005-05

2016-01-11；

2016-04-01

朱國(guó)金（1978-），男，江蘇鹽城人，高級(jí)工程師，主要從事水利水電及港口航道工程勘察設(shè)計(jì)科研和技術(shù)管理工作。