層間隔震對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)防震效果的評價研究

關(guān)健

（遼寧新民市農(nóng)業(yè)技術(shù)推廣與行政執(zhí)法中心，遼寧沈陽110300）

1 工程背景

勝利水電站屬于渾河的重要支流蘇子河梯級開發(fā)的最末一級，是一座以發(fā)電為主，兼具防洪和養(yǎng)殖等諸多綜合性功能的大型水利樞紐工程[1]。電站壩址位于遼寧省新賓縣勝利村境內(nèi)，工程設(shè)計庫容為698萬m3，工程等別為Ⅳ等，裝機(jī)容量14 100 kW，多年平均發(fā)電量3 454 萬kW·h，主要由擋水壩、翻板閘、沖沙閘、電站廠房及變電站等組成[2]。電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)水塔位于上水庫大壩上游靠近右岸的部位，設(shè)計為岸塔式結(jié)構(gòu)，進(jìn)水塔的基礎(chǔ)面設(shè)計高程為153.40 m，塔頂高程為194.90 m，塔高41.5 m。進(jìn)水塔由底部的塔體和上部排架兩大部分構(gòu)成，上部排架的高度為14.3 m，其排架柱的截面為1.2 m×1.2 m，橫梁的尺寸為1.5 m×1.2 m；排架的頂層厚度為0.2 m。按照原施工設(shè)計，進(jìn)水塔的塔體和排架均采用C30混凝土。相對于下部結(jié)構(gòu)，進(jìn)水塔的上部排架無論是結(jié)構(gòu)質(zhì)量還是結(jié)構(gòu)剛度均較小，是地震應(yīng)力作用下最容易遭受破壞的部分[3]。顯然，在排架結(jié)構(gòu)遭受破壞的背景下，進(jìn)水塔的正常運(yùn)行乃至電站的整體安全都將受到嚴(yán)重威脅，因此其抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計就顯得尤為重要[4]。但是，在傳統(tǒng)的抗震設(shè)計理念下，主要采用的是增加排架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和截面積，而這種方式不僅難以控制鞭梢效應(yīng)，還會大幅增加施工成本[5]。基于此，文章提出在排架支柱和塔體之間設(shè)置隔橡膠震層的抗震設(shè)計思路，并利用有限元數(shù)值模擬的方式驗證其工程效果。

2 有限元計算模型

2.1 模型的構(gòu)建

ANSYS 有限元軟件是美國ANSYS 公司推出的一款大型商用工程仿真設(shè)計軟件，具有多種分析功能，在推出之后在巖土力學(xué)以及結(jié)構(gòu)分析等方面獲得廣泛的應(yīng)用，同時也取得了良好的模擬研究效果。因此，研究中利用ANSYS 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計算模型的構(gòu)建[6]。

研究中結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實際，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的整體模型范圍為基礎(chǔ)的上下游、左右岸以及深度各取一倍塔高。模型的計算計算邊界條件為：進(jìn)水塔的上下游和左右側(cè)面按照施加豎向位移條件，模型的底部按照固定邊界條件處理，施加全位移約束，模型的上部為自由邊界條件。為了利于模型的構(gòu)建，以進(jìn)水塔的前期設(shè)計資料為依據(jù)，首先利用CAD 軟件建立進(jìn)水塔的整體幾何模型，然后在導(dǎo)入ANSYS 有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計算模型的構(gòu)建[7]。幾何模型以垂直于右岸指向左側(cè)的方向為X 軸正方向，以垂直于X 軸指向上游的方向為Y 軸的正方向，以豎直向上的方向為Z軸正方向。

進(jìn)水塔的塔體采用六面體實體單元進(jìn)行網(wǎng)格模型的劃分，上部的排架結(jié)構(gòu)則采用梁單元進(jìn)行模擬，啟閉機(jī)層以及排架的頂層利用殼單元進(jìn)行模擬。鑒于有限元軟件中并沒有用于模擬橡膠隔震墊的單元，因此采用COMBIN14 單元對隔震層的豎向剛度進(jìn)行模擬，同時利用COMBIN40 單元對隔震層的水平剛度與粘滯阻尼進(jìn)行模擬研究中假定進(jìn)水塔的混凝土結(jié)構(gòu)在各向同性的均質(zhì)彈性連續(xù)體[8]。整個模型共劃分為12 687 個網(wǎng)格單元，13 986 個計算節(jié)點，模型的示意圖如圖1 所示。

圖1 有限元模型示意圖

2.2 計算參數(shù)

根據(jù)新賓縣地震資料，勝利水電站壩址區(qū)的地震烈度為7 度，主要水工建筑設(shè)計地震參數(shù)水平加速度為113.7 g，超越概率為10%，特征周期為0.55 s。進(jìn)水塔所采用的C25 水工混凝土的重度為25.4 kN/m3，性模量為2.8 GPa，泊松比為0.167。此次研究中采用的是GZY600-120 型鉛芯橡膠隔震支座，其總高度為18.5 cm，其橡膠和鉛芯的直徑分別為60 cm和12 cm。結(jié)合相關(guān)研究和試驗資料，隔震支座的等效剛度為2 238 kN/m，剪切模量為0.56 MPa，屈服力為95.3 kN，等效阻尼比為23.5%。

2.3 計算荷載及施加

在進(jìn)行進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)計算過程中，計算荷載主要包括自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、風(fēng)壓力及地震作用[9]。其中，模型的地基視為無質(zhì)量單元，混凝土結(jié)構(gòu)的自重按照15.0 kN/m3的重度進(jìn)行計算；根據(jù)進(jìn)水塔的運(yùn)行工況，在所有與水接觸的面上全部施加靜水壓力，水的重度取9.8 kN/m3；計算過程中，對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)底面按照庫水位施加揚(yáng)壓力；將浪壓力與進(jìn)水塔的上游面靜水壓力疊加，施加到上游面；按照《水工建筑物荷載設(shè)計規(guī)范》計算風(fēng)壓力，并施加到進(jìn)水塔的水面以上的表面。

在施加過程中，需要同時計入水平和豎向地震作用，根據(jù)NB 35047-2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，應(yīng)該分別采用擬靜力法和振型分解反應(yīng)譜法計算地震作用，并施加于計算模型。在進(jìn)行進(jìn)水塔的動水壓力分析中，僅考慮其慣性作用，而不考慮水體可壓縮性的影響。鑒于動水壓力與水深存在顯著關(guān)聯(lián)，因此需要結(jié)合水深數(shù)據(jù)編寫不同高程的動水壓力函數(shù)，并通過等效面力的方式施加于塔體表面。

3 計算結(jié)果與分析

3.1 自振周期對比分析

在地震工況下，自振周期是衡量進(jìn)水塔動力特征的重要指標(biāo)。研究中，對設(shè)置和不設(shè)置層間隔震帶條件下的自振特征進(jìn)行計算，獲得如圖2 所示前20 階自振頻率變化曲線以及圖3 所示的前20階自振周期變化曲線。由圖2，3 可知，在設(shè)置層間隔震帶的工況下，其第1 階自振周期和頻率分別為0.470 1 s 和2.072 2 Hz，第20 階自振周期和頻率分別為0.044 0 s 和18.038 0 Hz；在設(shè)置層間隔震帶的工況下，其第1階自振周期和頻率分別為0.876 7 s和1.115 3 Hz；第20 階自振周期和頻率分別為0.051 7 s 和15.911 8 Hz。由此可見，設(shè)置層間隔震帶可以明顯降低自振頻率，而自振周期也隨之明顯延長，同時收斂周期相較于不設(shè)置層間隔震帶工況明顯加快。總之，設(shè)置層間隔震可以使進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)有效規(guī)避主要地震響應(yīng)頻帶，從而減輕地震損害。

圖2 不同工況前20 階頻率對比圖

圖3 不同工況前20 階周期對比圖

3.2 位移計算結(jié)果分析

對設(shè)置層間隔震帶和不設(shè)置層間隔震帶條件下的進(jìn)水塔在典型部位的位移進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如表1 所示。由計算結(jié)果可知，無論設(shè)置和不設(shè)置層間隔震帶，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的Y 向位移最大，同時隨著進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)高程的增加而顯著增大，說明進(jìn)水塔在地震工況下的位移存在十分明顯的鞭梢效應(yīng)。但是，設(shè)置層間隔震時的位移值較不設(shè)置層間隔震帶明顯減小，增加的速率也呈現(xiàn)出減緩的趨勢。因此，設(shè)置層間隔震帶雖然不能消除鞭梢效應(yīng)，但是可以有效控制進(jìn)水塔在地震條件下的位移，具有較為明顯地減震效果。

表1 進(jìn)水塔典型部位的最大位移量mm

3.3 結(jié)構(gòu)應(yīng)力計算結(jié)果分析

對設(shè)置層間隔震帶和不設(shè)置層間隔震帶條件下的進(jìn)水塔在典型部位的應(yīng)力進(jìn)行模擬計算，結(jié)果如表2 所示。由表2 中的計算結(jié)果可知，設(shè)置層間隔震帶對減小排架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力值十分有利，其各項應(yīng)力值均顯著小于未設(shè)置層間隔震帶工況。具體來看，排架結(jié)構(gòu)的軸力會隨著高度的增加而減小，但是設(shè)置層間隔震帶情況下的軸力總體水平較低。從彎矩的計算結(jié)果來看，也呈現(xiàn)出基本相似的特點，也就是排架結(jié)構(gòu)的軸力會隨著高程的增加而減小，而設(shè)置層間隔震帶條件下的總體水平較低。從剪力計算結(jié)果來看，會隨著排架高程的增加呈現(xiàn)出先小幅增加后大幅減小的特點，而設(shè)置層間隔震帶的剪力水平相對較低。總之，在設(shè)置層間隔震帶可以有效消散地震能量，降低排架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，減震作用明顯。

表2 進(jìn)水塔排架結(jié)構(gòu)應(yīng)力最大值MPa

4 結(jié)論

此次研究以遼寧省勝利水電站進(jìn)水塔為例，利用數(shù)值模擬的方法對設(shè)置和不設(shè)置層間隔震兩種不同工況在地震條件下進(jìn)水塔穩(wěn)定性的影響進(jìn)行計算研究，并獲得如下主要結(jié)論：

1）設(shè)置層間隔震帶可以使進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)有效規(guī)避主要地震響應(yīng)頻帶，從而減輕地震損害；

2）設(shè)置層間隔震帶雖然不能消除鞭梢效應(yīng)，但是可以有效控制進(jìn)水塔在地震條件下的位移，具有較為明顯的減震效果；

3）設(shè)置層間隔震帶可以有效消散地震能量，降低排架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力水平，減震作用明顯；

4）綜上，在設(shè)置層間減震可以獲得良好的減震效果，建議在工程設(shè)計中采用。