某工程抽水泵站進(jìn)水池塔墩體結(jié)構(gòu)動力特性分析研究

葉柏陽，孫益松，周松松

(1.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 淮安 223005；2.淮安市水利勘測設(shè)計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005)

1 概述

動力抗震設(shè)計是確保水工建筑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性的重要內(nèi)容，探討水工結(jié)構(gòu)在地震作用下動力響應(yīng)特性對提升工程抗震設(shè)計水平具有重要作用[1-3]。國內(nèi)已有諸多學(xué)者通過室內(nèi)振動臺試驗(yàn)，研究了水工結(jié)構(gòu)模型在模擬地震荷載作用下破壞特性，探討結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計方案，推動水利工程抗震設(shè)計水平[4-6]。由于振動臺試驗(yàn)實(shí)際操作過程中程序復(fù)雜，試驗(yàn)成本較高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果影響因素較多，因而較多水利工程師引入動力荷載仿真手段計算結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征，其中反應(yīng)譜是地震工程中研究地震荷載作用的重要手段，因此，一般以實(shí)測反應(yīng)譜值作為地震荷載模擬施加在仿真體系中[7-9]，研究水工結(jié)構(gòu)體系動力響應(yīng)特征，為評價進(jìn)水池塔墩等水工結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計水平提供重要參考。

2 工程概況

某抽水泵站位于華中地區(qū)，主要面向地區(qū)內(nèi)農(nóng)業(yè)灌溉用水以及農(nóng)村生活用水，總農(nóng)業(yè)面積超過150萬m2，枯水季可提升農(nóng)業(yè)灌溉效率25%，且生活用水量缺水率可降低13%，是地區(qū)水資源供給重要水工設(shè)施。渠道采用模袋式混凝土襯砌結(jié)構(gòu)形式，渠首直接連通抽水泵站出水塔結(jié)構(gòu)，渠首流量設(shè)計為0.58 m3/s，為方便農(nóng)村生活用水調(diào)度，該抽水泵站聯(lián)通蓄水池，流量為0.22 m3/s，泵站揚(yáng)程為152.5～175.5 m。泵站進(jìn)水池頂部高程為580 m，設(shè)計有流量調(diào)控閘門，布設(shè)有平面弧型鋼閘門，體型較小，尺寸為3.5 m×6.5 m，閘門以液壓式啟閉機(jī)作為控制系統(tǒng)，可精確控制進(jìn)水池內(nèi)通閘流量，降低水資源輸送耗損；上游引水河道河床寬度為8 m，上游引水運(yùn)營水位為31 m。進(jìn)水池設(shè)計以排墩作為支撐結(jié)構(gòu)，排墩為框架梁連系梁形式，橫梁為5.2 m×16 m，縱梁為13.5 m×6.5 m，每根排墩均設(shè)計有承重臺，增強(qiáng)受力面積，減少排墩結(jié)構(gòu)受力，閘墩厚度約為80 cm，頂部高程為574.6 m，攔污柵亦是設(shè)置為多扇形狀，總尺寸為5.6 m×18 m，每個排柵均有2個進(jìn)水孔，直徑為2.8 m，底檻高程為561.2 m，整個體系結(jié)構(gòu)均采用C25鋼筋混凝土材料。圖1為進(jìn)水池主要結(jié)構(gòu)三維示意。

圖1 進(jìn)水池主要結(jié)構(gòu)三維示意

3 進(jìn)水池塔墩動力特性分析

3.1 模型建立與荷載參數(shù)

仿真模型包括有進(jìn)水池深度15 m以下地基，模型以六面體為基本單元體，借助有限元仿真軟件共劃分出單元總數(shù)198 738個，節(jié)點(diǎn)數(shù)96 538個，所建立泵站進(jìn)水池塔墩整體仿真模型如圖2(a)所示，另單獨(dú)給出進(jìn)水池塔墩結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2(b)所示。另有限元仿真計算過程中空間坐標(biāo)體系X、Y、Z正方向分別為水流右側(cè)垂線方向、順?biāo)飨?、向上豎向。

圖2 有限元仿真模型示意

邊界約束荷載考慮進(jìn)水池結(jié)構(gòu)自重，外荷載為地震動作用，將地震動作用分兩方面考慮，一方面為慣性力荷載，本文以工程現(xiàn)場實(shí)測反應(yīng)譜值在仿真體系中施加，具體實(shí)測反應(yīng)譜值加速度如圖3所示；另一方面為動水壓力，以空間坐標(biāo)體系中3個方向分別施加，動水壓力計算公式如式(1)[10-11]：

圖3 加速度反應(yīng)譜實(shí)測值示意

(1)

式中H為深度；Zi、Ai分別為壩基距離與截面積。

3.2 進(jìn)水池塔墩動力特性計算

3.2.1自振特性

基于模態(tài)分析手段首先利用有限元軟件計算獲得進(jìn)水池塔墩自振特性，圖4為結(jié)構(gòu)體系自振頻率與計算階次關(guān)系。從圖中可看出，計算階次與自振頻率為正相關(guān)變化，第1階次下自振頻率為3 Hz，而第5階次下相比前者增長了161.7%，第10階次自振頻率又比第5階次增長了28.9%，即自振頻率隨計算階次增長幅度逐漸放緩。

圖4 自振頻率與計算階次關(guān)系曲線示意

圖5為基于模態(tài)分析計算獲得典型階次自振振型云圖，從圖中可知，在低階次下進(jìn)水池塔墩體系中振動以X向?yàn)橹鳎琘、Z向振動參與系數(shù)相比X向低了兩個量級，此現(xiàn)象在第1、3階次均是如此。在中等計算階次下，各方向振動均由正方向變換之負(fù)向，各方向振動參與系數(shù)相差并不大，稍稍以Y方向?yàn)橹鲗?dǎo)作用，即振型變化由X向主導(dǎo)變化至Y方向主導(dǎo)、三方向聯(lián)動振型特征。在高計算階次下，振動方向以X、Y向?yàn)橹鲗?dǎo)，此時進(jìn)水池塔墩體系為X、Y向組合振動狀態(tài)，兩者參與系數(shù)均達(dá)0.65左右。分析表明，進(jìn)水池自振振型變化為“X向主導(dǎo)-Y向主導(dǎo)、三向聯(lián)動-X、Y向組合振動”。

(a)1階

3.2.2動力響應(yīng)特性

圖6、圖7為進(jìn)水池塔墩體系結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)下應(yīng)力、位移特征。從圖6各特征部位應(yīng)力表現(xiàn)來看，X向拉應(yīng)力最大值出現(xiàn)在塔墩連系梁橫梁結(jié)構(gòu)，達(dá)14.5 MPa，閘墩以及底板等結(jié)構(gòu)部位處拉應(yīng)力分布較小，僅為前者的0.7%左右；結(jié)構(gòu)體系中X向壓應(yīng)力分布較為均勻，個特征結(jié)構(gòu)部位壓應(yīng)力均為0.6～1.8 MPa，均處于混凝土材料允許壓應(yīng)力區(qū)間內(nèi)。Y向拉應(yīng)力最大值位于縱梁，達(dá)7.9 MPa，另在柵墩結(jié)構(gòu)亦分布較大拉應(yīng)力，達(dá)5.5 MPa，分析表明受拉較嚴(yán)重區(qū)域即為塔墩連系梁的橫、縱梁結(jié)構(gòu)。Z方向最大拉、壓應(yīng)力分別為7.3 MPa、2.8 MPa，最大拉應(yīng)力位于柵墩部位；最大壓應(yīng)力乃是3個方向中壓應(yīng)力最大值，但相比混凝土材料允許抗壓強(qiáng)度，壓應(yīng)力處于安全狀態(tài)。整體體系中第一主應(yīng)力最大拉應(yīng)力為14.7 MPa，位于橫梁結(jié)構(gòu)。綜上應(yīng)力特征分析表明，進(jìn)水池塔墩體系中受拉較嚴(yán)重區(qū)域?yàn)闄M、縱梁、柵墩，動力抗震設(shè)計應(yīng)特別關(guān)注此3個特征結(jié)構(gòu)部位，增強(qiáng)剛度與強(qiáng)度。

圖6 結(jié)構(gòu)體系特征結(jié)構(gòu)部位應(yīng)力特征

(a)應(yīng)力

從位移分布特征來看，X、Y、Z正向位移最大值分別為17.1 mm、1 mm、0 mm，正向位移中以X向?yàn)橹鲗?dǎo)，3個方向負(fù)向最大位移分別為0.8 mm、14 mm、4 mm；三個方向正向最大位移均位于柵墩結(jié)構(gòu)部位處，而負(fù)向位移中Y向塔頂板，Z向最大沉降變形位于多排式柵墩與頂板連接處；綜上來看，柵墩動力響應(yīng)下位移較大，極易引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力集中破壞。

4 增設(shè)切角對塔墩體系動力影響特性

前述分析已知進(jìn)水池塔墩體系中受拉與位移較大區(qū)域集中在柵墩以及連系梁，故而本文考慮增設(shè)切角降低結(jié)構(gòu)體系拉應(yīng)力，增大結(jié)構(gòu)剛度。為此，研究不同增設(shè)切角設(shè)計方案下結(jié)構(gòu)體系動力特征，限于篇幅，本文以固定坡度，改變切角高度的研究方案，探討結(jié)構(gòu)體系最佳抗震性能方案。設(shè)定切角固定坡度均為1/3，并改變增設(shè)切角高度分別為0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m，另所有方案增設(shè)切角均布設(shè)在縱梁結(jié)構(gòu)上，典型代表設(shè)計方案增設(shè)切角幾何示意圖如圖8所示。

圖8 增設(shè)切角幾何示意

4.1 應(yīng)力特征變化

圖9為各切角高度影響下特征結(jié)構(gòu)部位拉應(yīng)力變化，從圖中可知，隨切角高度增大，縱梁、柵墩拉應(yīng)力均有一定程度降低，無切角時縱梁拉應(yīng)力為7.8 MPa，而切角高度為0.4 m時拉應(yīng)力相比前者降低了3.8%。柵墩拉應(yīng)力在切角高度為0.3 m前并無顯著變化，在高度0.3 m后拉應(yīng)力有所降低，其中切角高度0.6 m時相比0.3 m時柵墩拉應(yīng)力降低了3.9%，達(dá)8.65 MPa。胸墻第一主應(yīng)力持續(xù)降低，無切角時拉應(yīng)力為2.4 MPa，而增設(shè)切角高度為0.5 m、0.6 m時分別相比前者降低了12.5%、16.7%，最低拉應(yīng)力為2 MPa。從拉應(yīng)力受增設(shè)切角高度影響來看，增設(shè)切角可降低結(jié)構(gòu)受拉應(yīng)力，另切角高度增大，抑制結(jié)構(gòu)受拉趨勢愈顯著。

圖9 結(jié)構(gòu)體系中特征部位拉應(yīng)力變化示意

圖10為不同切角高度下結(jié)構(gòu)體系各特征部位壓應(yīng)力特征，橫、縱梁壓應(yīng)力變化較小，其中縱梁壓應(yīng)力值均在7.3～7.4 MPa，而橫梁在各切角高度下穩(wěn)定不變，均為12.1 MPa，柵墩第三主應(yīng)力、整體結(jié)構(gòu)體系第三主應(yīng)力均隨切角高度增大而逐漸減小，切角高度0.6 m時柵墩第三主應(yīng)力為11.9 MPa，相比切角高度0.2 m時降低了1.7%；相同對比方案中整體結(jié)構(gòu)體系第三主應(yīng)力降低幅度為0.8%。從進(jìn)水塔墩整體壓應(yīng)力受增設(shè)切角高度影響來看，壓應(yīng)力量值均處于混凝土材料允許應(yīng)力值區(qū)間內(nèi)，處于安全狀態(tài)。

圖10 結(jié)構(gòu)體系中特征部位壓應(yīng)力變化示意

4.2 位移特征變化

圖11為柵墩各方向位移受增設(shè)切角高度影響變化特征，從圖中可知，柵墩X、Y向位移變化趨勢較小，最大變化幅度僅為3.2%，表明增設(shè)切角高度改變并不影響柵墩X、Y向位移特征。另一方面，隨切角高度增大，柵墩Z向位移逐漸降低，切角高度0.6 m時位移值最小，僅為3.8 mm，相比無切角時降低了7.3%。分析表明改變增設(shè)切角高度，可降低動力響應(yīng)引起柵墩Z向位移值。

圖11 柵墩各方向位移與切角高度關(guān)系示意

4.3 最佳抗震方案分析

綜上應(yīng)力、位移分析可知，當(dāng)切角高度為0.6 m時結(jié)構(gòu)體系抗震性能較好，本文給出該設(shè)計方案下進(jìn)水池塔墩體系特征部位應(yīng)力分布示意(如圖12所示)。

(a)橫梁

從圖中可知，橫梁、縱梁、柵墩最大拉應(yīng)力分別為8.2 MPa、9.3 MPa、2.1 MPa，相比原無切角結(jié)構(gòu)體系中，最大拉應(yīng)力均分別降低了43.4%、5.6%、61.8%，表明增設(shè)切角方案有助于抑制結(jié)構(gòu)體系中拉應(yīng)力產(chǎn)生，增強(qiáng)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。從柵墩各方向位移來看(見圖13)，仍然以X向位移為最大，達(dá)13.6 mm，相比無切角設(shè)計方案下降低了20.5%；Y向最大位移為13.9 mm，仍然為負(fù)向，亦有小幅降低；Z向沉降變形為3.79mm，相比原設(shè)計方案降低了7.6%。綜上分析表明，從動力抗震角度出發(fā)，增設(shè)切角可降低應(yīng)力集中，減弱動力作用下位移響應(yīng)，且增設(shè)切角高度0.6 m時抗震性能最佳，可采用為進(jìn)水池塔墩結(jié)構(gòu)體系抗震特性的剛度、強(qiáng)度增強(qiáng)設(shè)計方案。

(a)X向

5 結(jié)語

針對某抽水泵站進(jìn)水池塔墩體系結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性開展計算分析，利用反應(yīng)譜實(shí)測值施加地震動荷載，研究分析了結(jié)構(gòu)動力特性與增設(shè)切角方案對結(jié)構(gòu)體系動力響應(yīng)影響特征，主要有以下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)結(jié)構(gòu)體系動力響應(yīng)下應(yīng)力、位移特征，受拉嚴(yán)重部位為塔墩的橫、縱梁、柵墩，X向拉應(yīng)力最大達(dá)14.5 MPa，位于橫梁結(jié)構(gòu)，Z向最大拉應(yīng)力位于柵墩，達(dá)7.3 MPa；壓應(yīng)力分布均滿足混凝土材料允許應(yīng)力要求；正向最大位移均位于柵墩結(jié)構(gòu)處，X向最大位移17.1 mm；部分結(jié)構(gòu)部位動力響應(yīng)下極易引起應(yīng)力集中破壞。

2)增設(shè)切角對結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)影響特征，縱梁、柵墩拉應(yīng)力、胸墻第一主應(yīng)力均與切角高度為負(fù)相關(guān)關(guān)系，切角高度增大，抑制結(jié)構(gòu)受拉趨勢愈顯著；壓應(yīng)力受切角高度變化影響較小，縱梁壓應(yīng)力均在7.3～7.4 MPa，各特征部位壓應(yīng)力均處于材料允許強(qiáng)度區(qū)間內(nèi)。

3)增設(shè)切角對結(jié)構(gòu)位移影響，柵墩X、Y向位移不受切角高度變化影響，Z向位移在切角高度0.6 m時最小，相比無切角時降低了7.3%；增設(shè)切角高度0.6 m時橫梁、縱梁、柵墩拉應(yīng)力最大值分別降低了43.4%、5.6%、61.8%，位移響應(yīng)值亦降低一定幅度，該設(shè)計方案結(jié)構(gòu)體系抗震性能較佳。