高揚(yáng)程升船機(jī)不同壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的抗震性能分析*

鄧運(yùn)倜,陶桂蘭,張毅濠,吳俊東

(1.中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司，上海 200032；2.河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098；3.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，湖北 武漢 430010)

水運(yùn)具有“占地少、成本低、能耗小、污染輕、運(yùn)能大、效益高”等優(yōu)勢，能為我國西部大開發(fā)、中部崛起和東部率先發(fā)展以及長江經(jīng)濟(jì)帶建設(shè)做出巨大貢獻(xiàn)。目前世界上建成的200米級以上特高壩已達(dá)77座，我國有20座。隨著我國高壩水利樞紐的建設(shè)和內(nèi)河水運(yùn)的快速發(fā)展，升船機(jī)的建設(shè)倍受人們的關(guān)注。與其它類型荷載相比，地震荷載發(fā)生頻率低、強(qiáng)度大、隨機(jī)性強(qiáng)，在大型垂直升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的動(dòng)力計(jì)算中往往起重要作用。高揚(yáng)程垂直升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力響應(yīng)，最終可能因結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足及塔柱頂部變形過大而破壞，或聯(lián)系梁損壞等[1]。因此，為了保證河流的正常通航并提高河流的通航能力，迫切需要對高壩水利樞紐上建設(shè)高水頭通航建筑物開展相關(guān)技術(shù)研究。

楊勇等[2]、陳厚群等[3]、蔣凱[4]分別對景洪升船機(jī)塔樓結(jié)構(gòu)、三峽升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)、向家壩升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)進(jìn)行了相關(guān)研究，得出了一些很有價(jià)值的結(jié)論，但是目前對高揚(yáng)程升船機(jī)不同壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的抗震性能研究較少。本文在設(shè)計(jì)單位提出的200米級高揚(yáng)程塔柱結(jié)構(gòu)形式基礎(chǔ)上提出變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式，利用ABAQUS建立塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型，采用動(dòng)力時(shí)程法對結(jié)構(gòu)開展相關(guān)動(dòng)力響應(yīng)對比分析，對其進(jìn)行了抗震性能評價(jià)。

1 高揚(yáng)程升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)形式及有限元模型

1.1 工程概況

擬建的水電站工程為白鶴灘水電站，位于四川省金沙江峽谷。白鶴灘水電站是金沙江下游干流河段梯級開發(fā)的第2個(gè)梯級電站，具有以發(fā)電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運(yùn)條件和發(fā)展庫區(qū)通航等綜合效益[5]。配套的升船機(jī)為200米級全平衡鋼絲繩卷揚(yáng)垂直升船機(jī)，設(shè)計(jì)船型為3 000噸級貨船。船廂室結(jié)構(gòu)由基礎(chǔ)、承重塔柱和上部機(jī)房3部分組成，結(jié)構(gòu)總長141.7 m、總寬55.6 m、總建筑高度240.3 m。承重塔柱對稱布置在船廂室的兩側(cè)；塔柱底部與筏形基礎(chǔ)聯(lián)為整體；頂部通過梁板結(jié)構(gòu)連接，構(gòu)成上部主機(jī)房的基礎(chǔ)。整個(gè)船廂室結(jié)構(gòu)形成巨型框架結(jié)構(gòu)體系。

承船廂水域總尺寸為115 m×18.4 m×4.7 m，初步計(jì)算出船廂內(nèi)水體質(zhì)量為10 300 t，通過類比分析初估船廂結(jié)構(gòu)質(zhì)量7 200 t，承船廂帶水總質(zhì)量為17 500 t，平衡重懸吊系統(tǒng)總質(zhì)量為17 500 t。

根據(jù)承船廂、平衡重、主提升設(shè)備布置要求及運(yùn)行條件，承重塔柱結(jié)構(gòu)采用鋼筋混凝土全筒式結(jié)構(gòu)。筒體在平面上左右兩列對稱布置，每列為一個(gè)整體筒體，筒體長141.7 m、寬15 m，2個(gè)筒體頂部由11根主橫梁連接。

200米級高揚(yáng)程升船機(jī)所處峽谷地形不對稱、巖性十分復(fù)雜、巖質(zhì)的特征為“硬、脆、碎”，且為高地震烈度等環(huán)境，該地址基本烈度為8度。

1.2 塔柱結(jié)構(gòu)形式

本文基于設(shè)計(jì)單位提出的200米級高揚(yáng)程升船機(jī)固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式，以混凝土用量一致為原則，擬定變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式。采用有限元軟件ABAQUS，分別建立了固定壁厚和變壁厚兩種塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型。

1.2.1固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)

升船機(jī)塔柱模型包括了地基、筏形基礎(chǔ)、擋土墻、塔柱、頂板。塔柱結(jié)構(gòu)形式從塔柱頂部至底部采用固定壁厚形式，塔柱寬度為15 m，塔柱總高度為240.3 m，底部至頂部的塔柱壁厚均為1.2 m，底部以下為8.5 m厚筏形基礎(chǔ)，擋土墻高度為44.6 m，橫向聯(lián)系梁設(shè)置于塔柱頂部，長25.6 m、高2 m、寬1.2 m。

1.2.2變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)

變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)模型是在固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，以混凝土用量一致為原則提出的比較方案。根據(jù)文獻(xiàn)[6]，塔柱壁厚由底部沿著頂部逐步減薄，塔柱寬度和高度與固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)一致；571.6～618.0 m高度范圍壁厚為1.7 m，高度618.0～717.4 m壁厚為1.3 m，高度717.4 m以上壁厚為1.0 m；底部以下為8.5 m厚的筏形基礎(chǔ)，塔柱橫向聯(lián)系梁的長、高和固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)一致。塔柱結(jié)構(gòu)立面和平面見圖1、2。

圖1 塔柱結(jié)構(gòu)立面(單位：m)

圖2 塔柱結(jié)構(gòu)1-1截面(單位：m)

1.3 塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型

固定壁厚、變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的船廂室和地基均采用8節(jié)點(diǎn)六面體實(shí)體單元，地基模擬范圍以船廂室輪廓為界，向上下游方向、左右兩側(cè)和深度方向各延伸1倍塔柱高度，即240.3 m。兩種模型的塔柱結(jié)構(gòu)、地基的網(wǎng)格密度分別為1.2、55.6 m，固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)共劃分單元243 429個(gè)，變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)共劃分單元188 632個(gè)，塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型見圖3。

圖3 塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型

固定壁厚、變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的地基邊界條件為：底面全部約束，各側(cè)面均采用法向約束。邊界條件施加過程中，對地基底面施加全約束，對地基各側(cè)面施加法向約束。如圖3所示，模型采用的坐標(biāo)系統(tǒng)為：順河向?yàn)閄軸(縱向)，橫河向?yàn)閅軸(橫向)，垂直向上為Z軸，坐標(biāo)原點(diǎn)為右塔柱結(jié)構(gòu)上游角點(diǎn)。

2 塔柱結(jié)構(gòu)的抗震性能分析

2.1 計(jì)算工況與計(jì)算參數(shù)分析

2.1.1計(jì)算工況

根據(jù)GB 51177—2016《升船機(jī)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]規(guī)定：升船機(jī)抗震設(shè)計(jì)參考SL 203《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[8]，依據(jù)白鶴灘水電站壩址設(shè)計(jì)地震動(dòng)參數(shù)復(fù)核報(bào)告評審意見，地震動(dòng)的峰值加速度取0.282g。

本文研究的200米級高揚(yáng)程升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的計(jì)算荷載包括塔柱結(jié)構(gòu)自重、設(shè)備荷載、風(fēng)荷載和地震荷載。設(shè)備荷載以附加質(zhì)量的方式施加在塔柱結(jié)構(gòu)上；風(fēng)荷載計(jì)算參考GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[9]和GB 50135—2006《高聳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[10]，計(jì)算得基本風(fēng)壓W0=0.45 kN/m2,以三角形分布壓強(qiáng)的形式作用于塔柱結(jié)構(gòu)橫河向。計(jì)算工況考慮最不利情況，即考慮水平地震荷載、自重荷載、風(fēng)荷載、豎向地震荷載共同作用，參考NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[11]有關(guān)規(guī)定，豎向地震動(dòng)峰值加速度的代表值取水平向地震動(dòng)峰值加速度的2/3，考慮到塔柱結(jié)構(gòu)橫向剛度明顯小于縱向剛度，水平地震荷載按橫向水平地震輸入考慮，輸入方式采用無質(zhì)量地基模型的塔柱結(jié)構(gòu)底部輸入[12]。

2.1.2計(jì)算參數(shù)

升船機(jī)基礎(chǔ)地址處于玄武巖區(qū)，對基巖分層考慮，各層平均靜態(tài)模量取11 GPa[13]，泊松比為0.23，承船廂室和地基均采用線彈性模型，動(dòng)彈性模量較其靜彈性模量提高30%，結(jié)構(gòu)阻尼比5%。塔柱結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)見表1。

表1 塔柱結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)

本文利用GB 50011—2010《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》[14]反應(yīng)譜程序Simqke_gr程序生成3條人工地震波(相關(guān)系數(shù)不大于0.3)。3條人工地震波的持續(xù)時(shí)間取20 s，計(jì)算的時(shí)間間隔為0.02 s，3條人工地震波加速度時(shí)程曲線見圖4。

圖4 人工地震波加速度時(shí)程曲線

2.2 固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)抗震性能分析

在塔柱的頂部、底部設(shè)置了2個(gè)參考點(diǎn)A、B(圖1)，將它們作為塔柱結(jié)構(gòu)位移、加速度響應(yīng)的研究對象。應(yīng)力響應(yīng)取左塔柱結(jié)構(gòu)的2個(gè)截面，分別為圖2中的2-2、3-3截面。應(yīng)力研究采用第一強(qiáng)度理論和第四強(qiáng)度理論。

2.2.1位移響應(yīng)

由圖5可知，不同地震波作用下，固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)在水平和豎向地震共同作用下頂部參考點(diǎn)A的橫向最大位移分別是-32.7、38.5、-36.3 cm，根據(jù)JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》[15]，該結(jié)構(gòu)水平位移限值為46.3 cm，最大位移滿足規(guī)范限值。

圖5 固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)頂部的位移時(shí)程曲線

2.2.2加速度響應(yīng)

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱加速度響應(yīng)最大，加速度時(shí)程曲線見圖6。

圖6 固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線

3條地震波作用下，塔柱結(jié)構(gòu)頂部參考點(diǎn)A的橫向最大加速度分別為5.701、-6.650、6.295 m/s2,底部參考點(diǎn)B的橫向最大加速度分別為-2.712、2.805、2.387 m/s2。頂部參考點(diǎn)A的橫向最大加速度分別為底部參考點(diǎn)B的2.10、2.37、2.64倍。

2.2.3應(yīng)力響應(yīng)

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱結(jié)構(gòu)筏形基礎(chǔ)主應(yīng)力最大，由于塔柱結(jié)構(gòu)自重，筏形基礎(chǔ)與塔柱結(jié)構(gòu)交界面出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中的現(xiàn)象，在3條地震波作用下，最大動(dòng)壓應(yīng)力分別為1.935、2.191、2.024 MPa。由于橫河向及豎向地震、塔柱筒體自重和正向風(fēng)荷載作用，筏形基礎(chǔ)左右、中間部分及筒體內(nèi)部區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，在3條地震波作用下，最大動(dòng)拉應(yīng)力分別為4.732、5.224、4.985 MPa。筏形基礎(chǔ)產(chǎn)生的最大動(dòng)拉應(yīng)力分別是最大動(dòng)壓應(yīng)力的2.45、2.46、2.38倍，已經(jīng)超過C30混凝土抗拉強(qiáng)度，需要提高混凝土強(qiáng)度和加強(qiáng)配筋，需特別注意的是筏形基礎(chǔ)的左右、中間部分及筒體內(nèi)部的配筋。

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱結(jié)構(gòu)截面等效應(yīng)力最大，主應(yīng)力云圖見圖7。

在3條地震波作用下，固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)2-2、3-3截面的等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在斷面與擋土墻接觸區(qū)域，分別為52.18、56.61、54.29 MPa和44.27、49.55、48.76 MPa。這是由于此處為擋土墻與上部塔柱結(jié)構(gòu)交界面，該區(qū)域易出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，須適當(dāng)增大該交界面塔柱截面寬度，并根據(jù)結(jié)構(gòu)受力配置受拉鋼筋等。

2.3 變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)抗震性能分析

2.3.1位移響應(yīng)

不同地震波作用下變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)頂部的位移時(shí)程曲線見圖8。

在橫向和豎向地震共同作用下，變壁厚塔柱頂部參考點(diǎn)A的橫向最大位移分別為-28.4、34.7、32.6 cm，最大位移均滿足規(guī)范限值。

圖8 變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)頂部的時(shí)程位移曲線

2.3.2加速度響應(yīng)

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱加速度響應(yīng)最大，加速度時(shí)程曲線見圖9。

圖9 變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)加速度時(shí)程曲線

3條地震波作用下，塔柱結(jié)構(gòu)頂部參考點(diǎn)A的橫向最大加速度分別為5.684、-6.790、6.382 m/s2,底部參考點(diǎn)B的橫向最大加速度分別為-2.763、2.804、2.524 m/s2,塔柱頂部參考點(diǎn)A的橫向最大加速度分別為底部參考點(diǎn)B的2.06、2.42、2.53倍。

2.3.3應(yīng)力響應(yīng)

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱結(jié)構(gòu)筏形基礎(chǔ)主應(yīng)力最大，由于塔柱結(jié)構(gòu)自重，筏形基礎(chǔ)與塔柱結(jié)構(gòu)交界面出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中，在3條地震波作用下，最大動(dòng)壓應(yīng)力分別為1.462、1.774、1.594 MPa，由于橫河向及豎向地震、塔柱結(jié)構(gòu)自重和正向風(fēng)荷載作用，筏形基礎(chǔ)左右、中間部分及筒體內(nèi)部區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，在3條地震波作用下，最大動(dòng)拉應(yīng)力分別為3.443、3.918、3.716 MPa，同樣也已經(jīng)超過混凝土抗拉強(qiáng)度，需要提高混凝土強(qiáng)度和加強(qiáng)配筋。

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱結(jié)構(gòu)截面等效應(yīng)力最大，主應(yīng)力云圖見圖10。

在3條地震波作用下，變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)2-2、3-3截面的等效應(yīng)力最大值出現(xiàn)在截面與擋土墻接觸區(qū)域，分別為44.89、49.61、47.86 MPa和40.13、44.03、42.27 MPa，須適當(dāng)增大塔柱與擋土墻交界面塔柱截面寬度，并根據(jù)結(jié)構(gòu)受力配置受拉鋼筋等措施。

圖10 變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)截面最大等效應(yīng)力

2.4 兩種不同塔柱結(jié)構(gòu)形式的抗震性能比較分析

2.4.1位移響應(yīng)對比分析

變壁厚和固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)頂部最大位移響應(yīng)對比見表2。

表2 不同塔柱結(jié)構(gòu)頂部最大位移 cm

兩種塔柱結(jié)構(gòu)形式的頂部最大位移都滿足《高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程的規(guī)定》要求。變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)頂部所產(chǎn)生的最大位移值都比固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)小，分別減少了13.1%、9.9%、10.2%。因此在位移響應(yīng)方面，變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式比固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式更優(yōu)。

2.4.2加速度響應(yīng)對比分析

變壁厚和固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)頂部最大加速度響應(yīng)對比見表3。

表3 不同塔柱結(jié)構(gòu)頂部最大加速度 m/s2

對于頂部橫向最大加速度，在地震波2和地震波3作用下，變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)比固定壁厚要大，分別大2.1%、1.4%；在地震波1作用下，變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)比固定壁厚要小0.3%。因此，在加速度響應(yīng)方面，固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式比變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式略優(yōu)。

2.4.3應(yīng)力響應(yīng)對比分析

變壁厚和固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)筏形基礎(chǔ)最大拉、壓應(yīng)力響應(yīng)和塔柱結(jié)構(gòu)截面等效應(yīng)力對比見表4。

變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)筏形基礎(chǔ)最大拉壓力比固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)小25%，最大壓力小19%。變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)各截面的最大等效應(yīng)力值比固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)要小，其中2-2截面小12.4%，3-3截面小11.1%。因此，在應(yīng)力響應(yīng)方面，變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式比固定厚塔柱結(jié)構(gòu)形式更優(yōu)。

通過比較兩種塔柱結(jié)構(gòu)形式的最大位移、加速度、筏形基礎(chǔ)應(yīng)力響應(yīng)、截面等效應(yīng)力，可以得出雖然變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的頂部橫向最大加速度略大于固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)，但是變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的頂部最大位移，筏形基礎(chǔ)的最大拉、壓應(yīng)力，截面最大等效應(yīng)力均比固定壁厚要小得多，優(yōu)勢明顯，故選用變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式更合適。

3 結(jié)論

1)在自重荷載、風(fēng)荷載和8度地震作用下，固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)和變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的頂部最大位移分別為32.3、29.5 cm，均滿足規(guī)范限值。

2)兩種塔柱結(jié)構(gòu)在各工況下的頂部加速度比底部加速度大，呈現(xiàn)加速度放大效應(yīng)，放大2倍左右。

3)筏形基礎(chǔ)與塔柱結(jié)構(gòu)交界面出現(xiàn)了壓應(yīng)力集中，筏形基礎(chǔ)左右、中間部分及筒體內(nèi)部區(qū)域出現(xiàn)了拉應(yīng)力集中，固定壁厚形式和變壁厚形式最大動(dòng)拉應(yīng)力分別為5.224、3.918 MPa。塔柱截面和擋土墻接觸處易發(fā)生應(yīng)力集中，固定壁厚形式和變壁厚形式最大等效應(yīng)力分別為56.61、49.61 MPa。

4)雖然變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的頂部橫向最大加速度略大于固定壁厚塔柱結(jié)構(gòu)，但是變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)的頂部最大位移，筏形基礎(chǔ)的最大拉、壓應(yīng)力，截面最大等效應(yīng)力均比固定壁厚要小得多，優(yōu)勢明顯，故變壁厚塔柱結(jié)構(gòu)形式更優(yōu)。