河床式水電站廠房上部結(jié)構(gòu)三維有限元抗震分析

張?chǎng)稳A

摘 要：利用ansys軟件進(jìn)行河床式水電站上部結(jié)構(gòu)的抗震分析，建立三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算模型。模態(tài)分析計(jì)算得到其自振特性，并通過反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)構(gòu)的抗震動(dòng)力響應(yīng)。將動(dòng)力計(jì)算結(jié)果與靜力計(jì)算結(jié)果疊加，結(jié)果顯示其滿足各項(xiàng)要求。

關(guān)鍵詞：ansys軟件；上部結(jié)構(gòu)；動(dòng)力分析；反應(yīng)譜

中圖分類號(hào)：TV312 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）18-0064-03

1 概 述

水電站廠房是能量進(jìn)行轉(zhuǎn)化的場(chǎng)所，將水能通過工程機(jī)械轉(zhuǎn)化成機(jī)械能并最終轉(zhuǎn)換為電能。它通過合理的工程手段，使河水平順地引入水輪機(jī)，能量轉(zhuǎn)化后引出水輪機(jī)，同時(shí)水電站廠房也為能量轉(zhuǎn)化的設(shè)備提供合適的安裝位置，為這些設(shè)備的安裝、檢修和運(yùn)行提供方便的條件。

水電站廠房結(jié)構(gòu)比較特殊，廠房各構(gòu)件尺寸龐大，內(nèi)部各結(jié)構(gòu)受力條件復(fù)雜。廠房的主要組成結(jié)構(gòu)包括：上游—下游擋水墩墻、鋼筋混凝土蝸殼、導(dǎo)葉、尾水管、上部結(jié)構(gòu)。

上部結(jié)構(gòu)由主廠房下游的柱墻結(jié)構(gòu)和副廠房上的板梁柱結(jié)構(gòu)組成。上部結(jié)構(gòu)很高，而寬度和厚度相對(duì)于高度方向尺寸很小，在地震效應(yīng)作用下很容易發(fā)生擺動(dòng)，使結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，進(jìn)而影響廠房的整體運(yùn)行，造成重大的損失，因此對(duì)上部結(jié)構(gòu)的抗震分析是很有必要的。

2 計(jì)算模型和計(jì)算理論

2.1 計(jì)算模型

某水電站位于四川省境內(nèi)，為二等大（2）型工程，工程正常蓄水位398 m，相應(yīng)庫容6 330萬m3，裝機(jī)容量4×190 MW+1× 12 MW（生態(tài)機(jī)組），額定水頭33 m。樞紐布置包括河床式電站、船閘、13孔泄洪沖砂閘、左岸副壩、左岸非溢流壩、右岸接頭壩。本文通過建立一個(gè)機(jī)組段廠房三維有限元模型來了解地震作用下現(xiàn)有結(jié)構(gòu)布置方案結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、應(yīng)變。計(jì)算采用的直角坐標(biāo)系為：X軸為沿水流方向，順?biāo)鞣较驗(yàn)檎?，Y軸正方向?yàn)樨Q直方向，向上為正，Z軸垂直于水流方向，河流右岸為正方向，坐標(biāo)原點(diǎn)高程為327 m。整體三維有限元模型，如圖1所示。

2.2 計(jì)算理論

在地震作用下，結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的有限元方程是

2.3 計(jì)算假定

①混凝土、基礎(chǔ)巖體為均質(zhì)、彈性、各向同性的連續(xù)體，不考慮鋼筋和混凝土的應(yīng)力重分布。

②廠房為多個(gè)壩段，各廠房壩段之間分別設(shè)有結(jié)構(gòu)縫，在計(jì)算時(shí)，因此各壩段獨(dú)立承擔(dān)荷載，壩段間無相互作用。

③計(jì)算時(shí)，結(jié)構(gòu)中的二期混凝不承受荷載。。

2.4 荷載及荷載組合

抗震計(jì)算水位為上游正常蓄水位、下游最低尾水位，靜荷載包括廠房自重、設(shè)備自重、內(nèi)水壓力、側(cè)水壓力、揚(yáng)壓力，動(dòng)水壓力的影響采用目前壩工界普遍采用的韋斯特加特（Westergarrd）公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：Pw為作用在壩體單位面積上的動(dòng)水壓力；

αh為設(shè)計(jì)地震加速度水平向代表值；

h為計(jì)算位置距水面的深度；

H為庫水總深度；

ρw為水的密度。

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是研究結(jié)構(gòu)振動(dòng)特性的方法，能夠確定自振頻率、機(jī)型參與系數(shù)及振型等結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。模態(tài)分析是在進(jìn)行其他動(dòng)力分析之前進(jìn)行的，主要是由于結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性決定結(jié)構(gòu)對(duì)于各種動(dòng)力荷載的響應(yīng)情況。廠房整體結(jié)構(gòu)的前20階自振頻率，見表1。廠房上部結(jié)構(gòu)的自振頻率，見表2?？梢钥闯稣w的自振頻率比較密集，其中九階表現(xiàn)為上部結(jié)構(gòu)的自振。廠房壩段第五、六階振型圖，如圖2和圖3所示。

4 動(dòng)應(yīng)力分析

本工程所處區(qū)域的地震設(shè)計(jì)烈度為7.3 °，水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值αh=0.13 g，豎向設(shè)計(jì)地震加速度代表值αv= 0.087 g，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜按《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中4.3.3采用，設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大值的代表值βmax=2.25，最小值不應(yīng)小于 βmax=0.45，場(chǎng)地類別為I類，響應(yīng)特征周期Tg=0.20 s，由此確定抗震計(jì)算所用的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜，如圖4所示。

5 動(dòng)應(yīng)力和位移結(jié)果分析

抗震分析時(shí)其荷載按照順?biāo)鞣较?、壩軸線方向和豎直向三個(gè)方向同時(shí)受地震荷載作用，其中豎向地震荷載為水平向的2/3，結(jié)構(gòu)的總動(dòng)力響應(yīng)為順?biāo)鞣较蚝蛪屋S線方向動(dòng)力響應(yīng)的平方和開平方與豎向動(dòng)力響應(yīng)的0.5倍直接相加；最終總地震效應(yīng)為反應(yīng)譜計(jì)算的地震動(dòng)應(yīng)力和靜力計(jì)算得到的靜應(yīng)力的疊加。動(dòng)靜疊加時(shí)需要對(duì)地震作用效應(yīng)按系數(shù)0.35進(jìn)行折減，再與靜力計(jì)算結(jié)果進(jìn)行疊加。反應(yīng)譜分析得到的動(dòng)應(yīng)力是交變應(yīng)力，所以在進(jìn)行動(dòng)應(yīng)力和靜應(yīng)力疊加時(shí)，應(yīng)分別進(jìn)行正向疊加和負(fù)向疊加。由于地震作用下可能導(dǎo)致止水失效，故本次計(jì)算時(shí)按照揚(yáng)壓力系數(shù)為0.6和1.0兩種工況進(jìn)行計(jì)算。地震工況的最大位移表，見表3。

①分析應(yīng)力結(jié)果可知，主廠房下游柱子與發(fā)電機(jī)層的相交部位X向的拉應(yīng)力約為3.5 MPa，屬于體型結(jié)構(gòu)突變處，產(chǎn)生應(yīng)力集中，但應(yīng)力集中范圍較小。主廠房下游柱子與副廠房上部板梁柱之間的聯(lián)系梁以及副廠房上部板梁柱結(jié)構(gòu)與下游墩墻之間的連系梁X向拉應(yīng)力很大，約為5.0 MPa。副廠房上部板梁柱結(jié)構(gòu)中板柱相交處X向拉應(yīng)力交大，約為3.0 MPa。上部結(jié)構(gòu)中的Z向梁的Z向拉應(yīng)力較大，約為3.5 MPa。

②分析位移結(jié)果可知，主廠房下有柱子頂部X向最大位移為4.47～4.72 cm；主副廠房吊車梁頂部最大位移為3.70～3.93 cm，位移均比較大，但柱子底部的X向最大位移為2.55～2.74 cm，可知其位移是由廠房的整體位移造成的。經(jīng)計(jì)算，吊車梁軌頂側(cè)向位移滿足《水電站廠房設(shè)計(jì)規(guī)范SL 266-2001》中表4.2.7的要求。

5 結(jié) 語

①上部結(jié)構(gòu)中，主廠房下游柱子與發(fā)電機(jī)層相交處以及副廠房上部板梁柱結(jié)構(gòu)中的板柱相交部位拉應(yīng)力較大，可以通過適當(dāng)?shù)呐浣顏硖岣咴摬课坏目估阅?，有利于結(jié)構(gòu)的安全。

②主廠房下游柱子之間的縱向連系梁、主廠房下游柱子與副廠房上部板梁柱結(jié)構(gòu)之間的連系梁以及副廠房上部板梁柱結(jié)構(gòu)與下游尾水墩墻之間的連系梁均有很大的拉應(yīng)力，一定程度上減小了上部結(jié)構(gòu)在X和Z向的擺動(dòng)，有助于結(jié)構(gòu)抗震。

③通過對(duì)上部結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移分析，除個(gè)別部位有較大的拉應(yīng)力外，其它部位的拉應(yīng)力較小，應(yīng)力分布符合一般規(guī)律，滿足設(shè)計(jì)要求。位移也滿足規(guī)范要求，結(jié)構(gòu)合理。

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