強(qiáng)震區(qū)水閘地震反應(yīng)三維非線性分析

孫衛(wèi) 李曉彬 程瑞林 邱煥峰

摘 要：文章結(jié)合地處強(qiáng)震區(qū)的大型水閘，運(yùn)用有限元分析軟件，建立閘室整體結(jié)構(gòu)計(jì)算模型。采用振型分解反應(yīng)譜法，計(jì)算出閘室結(jié)構(gòu)在校核工況下的靜動(dòng)組合應(yīng)力和應(yīng)變，分析閘室結(jié)構(gòu)各部位的應(yīng)力變化規(guī)律及其自振特性，探討地震作用對(duì)閘室整體結(jié)構(gòu)的影響，為水閘的抗震設(shè)計(jì)提供參考。研究閘室上部的框架結(jié)構(gòu)采用不同構(gòu)筑材料時(shí)，閘室結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形分布規(guī)律，并對(duì)兩種方案的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較分析。結(jié)果表明，閘室上部框架結(jié)構(gòu)采用輕質(zhì)鋼時(shí)，閘室結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)明顯改善。

關(guān)鍵詞：有限元 反應(yīng)譜 抗震設(shè)計(jì)

1.閘室結(jié)構(gòu)動(dòng)力計(jì)算

（1）計(jì)算模型

建立水閘整體有限元計(jì)算模型，考慮閘墩、底板與地基的相互作用。閘室底板跨中分縫，縫寬0.02m，所以取其中一孔閘室和一定范圍的地基（在橫河向水平向延伸20m，順河向水平延伸20m，豎直方向，從底板向下延伸20m）作為一個(gè)整體結(jié)構(gòu)，進(jìn)行有限元網(wǎng)格剖分。閘室和基礎(chǔ)均采用8節(jié)點(diǎn)等參單元，閘室底板與地基之間設(shè)一層接觸單元，剖分后的空間有限元網(wǎng)格如圖1所示。坐標(biāo)系的0點(diǎn)設(shè)在上游端右側(cè)閘墩底部，X軸沿橫河向指向右岸，Y軸沿鉛直方向指向上方，Z軸沿順河流方向指向下。

（2）材料性質(zhì)

該閘室的閘墩內(nèi)側(cè)、閘室底板混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用 C15，閘墩外側(cè)、排架混凝土強(qiáng)度等級(jí)采用C30，閘室的地基為鈣質(zhì)頁(yè)巖。

（3）計(jì)算參數(shù)

該水閘工程按9度設(shè)防，場(chǎng)地類別Ⅱ類，根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB 35047-2015）規(guī)定，水閘的地震加速度α=0.4g，反應(yīng)周期Tg=0.3s，

水閘的設(shè)計(jì)反應(yīng)譜最大代表值βmax=2.25，阻尼比ξ=0.05。

（4）計(jì)算方案

方案一：閘墩上部的啟閉機(jī)房采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

方案二：閘墩上部的啟閉機(jī)房采用輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)。

（5）計(jì)算荷載及計(jì)算工況

閘室上的主要荷載有：閘室自重和永久設(shè)備自重、水重、水平水壓力、揚(yáng)壓力、地震荷載等。閘室結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析取校核工況（正常工況+9度地震）進(jìn)行計(jì)算。

2.動(dòng)力計(jì)算結(jié)果及分析

對(duì)閘室結(jié)構(gòu)在不同方案下進(jìn)行動(dòng)力分析，閘室結(jié)構(gòu)的應(yīng)力及位移計(jì)算結(jié)果分別見(jiàn)表1和表2。

經(jīng)過(guò)對(duì)應(yīng)力圖和位移圖進(jìn)行分析，計(jì)算成果表明：（1）方案一校核工況下閘室結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力值為1.626MPa，最大拉應(yīng)力值為1.5 3 4M Pa，最大主應(yīng)力值為2.210MPa（拉應(yīng)力），最大位移值為6.306mm；方案二校核工況下閘室結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力值為1.635MPa，最大拉應(yīng)力值為1.368MPa，最大主應(yīng)力值為1.866 MPa（拉應(yīng)力），最大位移值為4.970mm。（2）方案一的閘室結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)相對(duì)于方案二而言，閘室結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)較差。因此在工程抗震設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)盡可能地減少閘室上部結(jié)構(gòu)的重量，以減小地震荷載對(duì)閘室結(jié)構(gòu)的影響；在校核工況下，由于地震的作用，閘室結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力和動(dòng)位移，排架柱根部，閘墩底部，拉應(yīng)力值較大，最大壓應(yīng)力值有所減小。相對(duì)于其它工況，閘室結(jié)構(gòu)的受力狀態(tài)最為不利，在工程設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)以校核工況為設(shè)計(jì)控制工況。（3）在校核工況下，方案一中閘室結(jié)構(gòu)的排架柱，閘墩等重要部位的最大拉應(yīng)力值>混凝土強(qiáng)度的規(guī)范允許值，因此在工程設(shè)計(jì)時(shí)，需對(duì)這些重要部位配筋，或采取加大截面尺寸、提高混凝土強(qiáng)度標(biāo)號(hào)等措施，使閘室結(jié)構(gòu)的抗震能力滿足要求，確保其在地震作用下安全。

3.閘室整體結(jié)構(gòu)模態(tài)分析

對(duì)閘室整體進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)算出閘室前5階自振頻率、周期及振型參與系數(shù)，具體情況見(jiàn)表3。

閘室前4階振型圖（振型圖不代表閘室結(jié)構(gòu)的實(shí)際位移，只表示振動(dòng)的形態(tài)）如圖1～圖4所示。

圖1～圖4可表明：

（1）在第一階振型圖中，閘墩及排架均向外側(cè)彎曲，在第二階振型圖中，閘墩及排架均向右側(cè)彎曲，在第三階振型圖中，閘墩及排架向左側(cè)彎曲，第四階振型圖中，閘墩及排架向左扭轉(zhuǎn)。

（2）在垂直河流的方向，閘室的振動(dòng)較為明顯，閘室出現(xiàn)了彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形；在順河流方向，閘室的振動(dòng)較小。

4.結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，得出以下結(jié)論：

（1）在地震作用下，排架柱的根部出現(xiàn)了較大的拉應(yīng)力，閘墩底部也出現(xiàn)了拉應(yīng)力，排架頂部變形最大。閘室上部啟閉機(jī)房采用輕質(zhì)鋼結(jié)構(gòu)時(shí)，閘室結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)明顯改善。

（2）閘室頂部重量越大，則地震引起的慣性力（地震力）也越大，工作橋越高，地震反應(yīng)也越大。因此應(yīng)盡量降低工作橋高度，減少橋頂部重量。如工程實(shí)際允許，應(yīng)取消其上部排架、機(jī)架橋、啟閉機(jī)房等結(jié)構(gòu)，閘門開(kāi)啟采用液壓?jiǎn)㈤]方式，這樣閘墩上部的豎向荷載大幅度降低，閘室結(jié)構(gòu)的抗震性能將明顯改善。

（3）閘室結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析結(jié)果表明：水閘的閘墩及上部排架在橫河向出現(xiàn)了較為明顯的彎曲、扭轉(zhuǎn)等變形，在順河向方向和豎直方向變形較小。究其原因，在橫河向方向，閘墩的剛度最小，在順河向方向和豎直方向，閘墩的剛度相對(duì)較大。

參考文獻(xiàn)：

[1]朱伯芳.有限單元法原理與應(yīng)用[M].北京：中國(guó)水利水電出版社，1998.

[2]R.克拉夫，J.彭津.王光遠(yuǎn).結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)[M].北京：高等教育出版社，2006.

[3]關(guān)淑萍.基于ANSYS的水閘動(dòng)力特性及內(nèi)力分析方法研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.