高聳塔柱內(nèi)部水體作用下頂部機(jī)房的鞭梢效應(yīng)研究

劉德宇， 趙蘭浩，劉 智(河海大學(xué)水利水電學(xué)院，南京 210098)

近年來擋水建筑物大量修建，升船機(jī)的穩(wěn)定直接決定河道的通航能力，目前已建成的景洪水電站的升船機(jī)采用國內(nèi)外首創(chuàng)的水力浮動(dòng)式升船機(jī)[1]，節(jié)能高效。在水力浮動(dòng)式升船機(jī)正常運(yùn)行時(shí)，浮筒豎井內(nèi)水位變幅大，不同水位下結(jié)構(gòu)對(duì)地震波的響應(yīng)不同。目前對(duì)水力浮動(dòng)式升船機(jī)尤其不同水位時(shí)水體與塔柱相互作用對(duì)頂部機(jī)房鞭梢效應(yīng)產(chǎn)生的影響研究較少，鑒此，本文建立景洪水電站升船機(jī)壩段三維有限元模型，考慮頂部機(jī)房的鞭梢效應(yīng)和地基的輻射阻尼效應(yīng)的影響，對(duì)升船機(jī)正常運(yùn)行時(shí)頂部機(jī)房和塔柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行研究，并提出升船機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的安全建議。

1 三維有限元模型及參數(shù)

1.1 有限元模型

景洪水電站升船機(jī)高92.0 m，塔柱頂部高程614.0 m，左右塔柱上部由聯(lián)系梁相連，升船機(jī)左右兩個(gè)塔柱各對(duì)稱布置8個(gè)浮筒豎井。頂部提升機(jī)房高度為20.0 m，布置在兩側(cè)塔柱頂部。根據(jù)抗震計(jì)算的特點(diǎn)，建立升船機(jī)三維有限元模型，模型包括主體塔柱、主提升機(jī)房、上下閘首等，并取與升船機(jī)相連的左右兩側(cè)部分壩體，地基往下游和底部延伸1.5倍塔柱高度，往上游延伸1.5倍塔柱高度。模型中x軸為橫河方向，正向指向壩體右岸；y軸為順河方向，正向指向下游，z軸為豎直方向，正向指向上方。主提升機(jī)房桁架采用二節(jié)點(diǎn)桿單元模擬，部分過渡單元采用6結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬，其余都采用8結(jié)點(diǎn)實(shí)體單元模擬。三維有限元模型見圖 1，圖1(e)中A～F為鋼柱特征點(diǎn)。

圖1 有限元模型及特征點(diǎn)分布圖Fig.1 3D finite element model and feature points distribution diagram

1.2 計(jì)算參數(shù)

計(jì)算模型材料參數(shù)見表 1。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203-97)[2]規(guī)定，地震作用下壩體和升船機(jī)混凝土的動(dòng)強(qiáng)度和動(dòng)彈性模量均在靜態(tài)的基礎(chǔ)上提高30%。

表1 材料參數(shù)表Tab.1 Material static parameter table

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL203-97)[2]規(guī)定，本文按照8級(jí)地震標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜反演得到3個(gè)方向地震波時(shí)程曲線，每一個(gè)方向的地震波包括加速度、速度和位移信息，水平向設(shè)計(jì)加速度為0.23g，豎向加速度取水平向的2/3，并對(duì)三條地震波進(jìn)行自相關(guān)和互相關(guān)檢查。圖2分別為3個(gè)方向的地震加速度時(shí)程曲線。

圖2 加速度時(shí)程曲線Fig.2 Time-history curves of acceleration

為了研究復(fù)雜工況下頂部機(jī)房的鞭梢效應(yīng)，本文分別進(jìn)行3個(gè)工況下的計(jì)算，首先升船機(jī)塔柱頂部機(jī)房不參與運(yùn)算，僅考察塔柱在浮筒豎井高水位下的動(dòng)力響應(yīng)(工況一)，再令頂部機(jī)房參與運(yùn)算，考察塔柱和機(jī)房分別在高水位(工況二)和低水位(工況三)下的動(dòng)力響應(yīng)。以黏彈性邊界波動(dòng)輸入地震波模擬散射波的輻射和地基彈性恢復(fù)能力[3]，采用時(shí)程分析法計(jì)算升船機(jī)塔柱和頂部機(jī)房不同工況時(shí)在三向地震作用下的位移和加速度響應(yīng)。

2 豎井內(nèi)水位變化對(duì)鞭梢效應(yīng)的影響

2.1 模態(tài)參數(shù)

經(jīng)自振特性計(jì)算得塔柱與機(jī)房結(jié)構(gòu)的自振頻率，表2給出浮筒豎井內(nèi)水位為547.75 m(低水位)和591.66 m(高水位)時(shí)的模態(tài)參數(shù)，可見豎井內(nèi)水位升高到591.66 m后前五階自振頻率相應(yīng)增加，振動(dòng)方向卻沒有改變。

表2 模態(tài)參數(shù)Tab.2 Model parameter

由表2可見，豎井內(nèi)水位升高后塔柱和機(jī)房結(jié)構(gòu)的自振頻率顯著減小，降低了5%～18%，其中第一階頻率減小12.5%，第二階頻率減小5%。

2.2 結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

主提機(jī)房兩邊鋼柱高20 m，現(xiàn)以塔柱頂為零基準(zhǔn)在頂部機(jī)房鋼柱結(jié)構(gòu)上取6個(gè)特征點(diǎn)，如圖 1(e)在模型中按順序標(biāo)注。圖 3為機(jī)房鋼柱沿高程位移曲線。

圖3 機(jī)房鋼柱沿高程位移Fig.3 Displacement curves along the elevation changes

由圖 3可見豎井內(nèi)充水至591.66 m后頂部機(jī)房鋼柱位移顯著增大，在鋼柱頂部位移增幅最明顯，x向位移增加66%，y向位移增加39.9%。圖4是機(jī)房頂部位移時(shí)程曲線，可見雖然豎井內(nèi)充水后結(jié)構(gòu)的自振頻率減小，但是結(jié)構(gòu)的位移響應(yīng)卻增加。

圖4 機(jī)房鋼柱頂部位移時(shí)程曲線Fig.4 Time-history curves of the engine room

圖4給出了地震作用下x向和y向加速度沿高程變化曲線，x向加速度沿高程增加，y向加速度在特征點(diǎn)E處發(fā)生突變，主要是由于此處尺寸顯著減小結(jié)構(gòu)形式突變，導(dǎo)致順河向的剛度發(fā)生明顯的變化，鋼柱頂部x向加速度相對(duì)于底部加速度的放大倍數(shù)也顯著增大，放大6.23～6.76倍，在廠房橫梁處增加的速率變大，y向加速度也在此處加速度開始減小。由圖 4可見豎井充水至高水位后頂部機(jī)房各特征點(diǎn)加速度增加了23.2%～45%，其中在特征點(diǎn)E即15 m處加速度增加45%，機(jī)房頂部加速度增加36.8%。

圖5 機(jī)房鋼柱加速度沿高程變化曲線Fig.5 Acceleration curves along the elevation changes

豎井內(nèi)水水位變化對(duì)頂部機(jī)房的鞭梢效應(yīng)影響復(fù)雜，雖然豎井內(nèi)水位上升使塔柱與頂部機(jī)房結(jié)構(gòu)的自振頻率減小，豎井內(nèi)的水體與豎井相互作用，相當(dāng)于調(diào)諧質(zhì)量阻尼器，起到了減震的作用；但是在高水位工況下頂部機(jī)房的位移和加速度均顯著增大，豎井內(nèi)水體增多一定程度上增大了整體結(jié)構(gòu)的慣性力，在地震作用下結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移和加速度變大。

3 結(jié) 語

本文結(jié)合結(jié)構(gòu)的自振特性和地震響應(yīng)進(jìn)行鞭梢效應(yīng)研究，對(duì)振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)得出的結(jié)論[4]給予了補(bǔ)充。結(jié)果顯示，在升船機(jī)正常運(yùn)行時(shí)隨著豎井內(nèi)水位升高，頂部機(jī)房的自振頻率降低，但是并沒有起到減震的效果，頂部機(jī)房位移和加速度響應(yīng)顯著增大，機(jī)房頂部發(fā)生較大扭曲變形和振動(dòng)破壞，建議頂部機(jī)房加強(qiáng)抗震防護(hù)，保證運(yùn)行安全。

□

[1] 劉金堂，曹以南，凌 云，等.景洪水力式升船機(jī)設(shè)計(jì)研究[J]. 水力發(fā)電，2008,34(4)：43-45.

[2] SL203-97，水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3] 何建濤，馬懷發(fā)，張伯艷，等.黏彈性人工邊界地震動(dòng)輸入方法及實(shí)現(xiàn)[J].水利學(xué)報(bào)，2010,41(8)：960-969.

[4] 孫 斌，宮必寧，孫 冕，等.景洪水電站升船機(jī)塔樓的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)[J].水電能源科學(xué)，2009，27(1).122-125.