尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)對攔污柵結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征分析

曹 洋，王 逸，邵雨辰

(1.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京市高淳區(qū)水務(wù)局固城水務(wù)站，江蘇 南京 211300)

水資源建設(shè)開發(fā)利用離不開水工結(jié)構(gòu)工程，為高效長期穩(wěn)定利用水資源，水工結(jié)構(gòu)工程安全穩(wěn)定性勢必較為重要，而考慮安全穩(wěn)定性不僅僅需要研究靜力荷載下，對動力荷載下尤為重要[1- 3]。水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須要考慮抗震性能，而動力響應(yīng)特征由于水工結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)尺寸參數(shù)息息相關(guān)，因而研究水利工程中結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響特征具有重要意義[4- 5]。國內(nèi)外一些學(xué)者基于室內(nèi)振動臺試驗(yàn)，開展水工建筑結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)破壞試驗(yàn)分析，研究結(jié)構(gòu)地震荷載下破壞狀態(tài)，為水利工程抗震設(shè)計(jì)提供重要參考[6- 8]。也有一部分學(xué)者基于現(xiàn)場長期監(jiān)測過程中所獲得實(shí)測數(shù)據(jù)，分析工程運(yùn)營過程中數(shù)據(jù)之間聯(lián)系，預(yù)判結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)下失穩(wěn)臨界點(diǎn)[9- 10]。當(dāng)然，很多學(xué)者基于非線性仿真軟件，結(jié)合實(shí)際工程資料，計(jì)算獲得地震荷載下水工結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征，亦是一種探討水利工程抗震性能較好的方法[11- 12]。本文將以實(shí)測反應(yīng)譜值為地震荷載模擬施加約束條件，研究計(jì)算不同尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)下水工結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)應(yīng)特征。

1 工程概況

某水電站樞紐工程建設(shè)主要面向地區(qū)電力供應(yīng)以及農(nóng)業(yè)灌區(qū)水資源調(diào)度，在枯水季可承擔(dān)地區(qū)農(nóng)田灌溉面積超過1000km2，另通過上游蓄水庫水資源調(diào)度可實(shí)現(xiàn)下游農(nóng)村生活用水常年缺水率為0，是地區(qū)水資源調(diào)控重要水工設(shè)施。該樞紐工程上游蓄水庫最高水位可達(dá)579m，設(shè)計(jì)洪水位為594m，總庫容設(shè)計(jì)為6000萬m3，樞紐工程建設(shè)包括有重力拱壩以及泄洪閘等組成結(jié)構(gòu)，其中拱壩高程達(dá) 677.5m，壩體軸向長度約為270m，建有輸水隧洞，為灌區(qū)輸水渠道提供水資源通道，渠首流量設(shè)計(jì)為0.65m3/s，干渠總長度約為125km，以模袋式混凝土作為襯砌形式，保證輸水渠道安全穩(wěn)定性。另一方面，引水隧洞為發(fā)電廠房提供水利動力，共裝機(jī)750MW，采用岸塔式進(jìn)水形式，進(jìn)水塔頂部高程為582.5m，塔實(shí)際高度為73m，順河道方向上進(jìn)水塔寬度為30m，建設(shè)有5個(gè)分段式進(jìn)水孔，每個(gè)進(jìn)水孔均設(shè)置有尺寸為5.5m×18m的框架是攔污柵結(jié)構(gòu)，此可減弱上游泥沙在塔前淤積影響，為廠房發(fā)電提供重要排沙、排污作用，進(jìn)水塔攔污柵墩結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性關(guān)乎著水電站的安全運(yùn)營，此即為本文研究對象。在攔污柵下游設(shè)置有2個(gè)出水口，每個(gè)出水口設(shè)計(jì)為6.5m×11m，均采用平面鋼閘門作為出水口流量調(diào)控設(shè)施，閘門尺寸與出水口為一致；進(jìn)水塔攔污柵的承重結(jié)構(gòu)為支撐排墩，每根柵墩均鋼筋混凝土一體式澆筑形成，各根柵墩之間間隔為4.5m，以連系梁作為彼此荷載傳遞構(gòu)件，而連系梁共鋪設(shè)有橫、縱梁，其中橫梁尺寸初步設(shè)計(jì)為1m×0.6m，布設(shè)在柵墩連系梁的河道水流垂直方向，縱梁為1m×1m，順河道方向與橫梁垂直，由于橫、縱梁結(jié)構(gòu)對柵墩的結(jié)構(gòu)安全性具有較大影響，其設(shè)計(jì)參數(shù)尤為重要，特別是在地震作用下，水電站抗震能力與柵墩結(jié)構(gòu)連系梁密切相關(guān)。進(jìn)水塔攔污柵整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 進(jìn)水塔攔污柵結(jié)構(gòu)圖

為準(zhǔn)確評價(jià)該水工結(jié)構(gòu)工程動力安全穩(wěn)定性，針對該工程開展工程地質(zhì)調(diào)查分析，區(qū)域內(nèi)活躍地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較少，僅在上游河流左岸坡延伸有一定長度向斜地質(zhì)構(gòu)造帶，實(shí)測地質(zhì)構(gòu)造剖面長度為1.2km，局部破碎帶夾有泥質(zhì)膠結(jié)灰?guī)r，表面出露巖石受風(fēng)化影響較強(qiáng)，巖角已出現(xiàn)粉末狀。樞紐工程所在表面覆蓋土層為第四系人工填土，分布范圍較廣，厚度僅為1.25km，但相比農(nóng)業(yè)灌區(qū)內(nèi)種植土，該人工填土含水量較低，松散性較高，顆粒分選較好。另在填土層下方鉆孔得知為砂礫土，粒徑最大為6.2mm，顆粒磨圓度較高，析水性較強(qiáng)，其主要為上游河流經(jīng)搬運(yùn)沉積形成，農(nóng)業(yè)輸水干渠持力層以及水電站管理廠房等均以該土層為持力層?；鶐r為弱風(fēng)化灰?guī)r，表面無明顯孔隙，室內(nèi)土工試驗(yàn)測試靜水壓力滲透率低于10-18m2，局部巖芯夾有泥質(zhì)膠結(jié)物，室內(nèi)單軸破壞亦是在軟弱膠結(jié)物處產(chǎn)生應(yīng)力集中斷裂。在上述工程資料分析基礎(chǔ)上，引入各巖土材料參數(shù)至有限元仿真計(jì)算模型中，并施加地震荷載作用，以反應(yīng)譜法疊加動力荷載，根據(jù)不同柵墩連系梁設(shè)計(jì)尺寸方案，分別計(jì)算獲得進(jìn)水塔攔污柵墩結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征。

2 連系梁尺寸對柵墩結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響特征

2.1 模型建立與荷載參數(shù)

為準(zhǔn)確模擬計(jì)算出進(jìn)水塔墩連系梁動力特性受設(shè)計(jì)參數(shù)影響特征，本文仿真模型包括有進(jìn)水塔以下15m地基，模型以六面體為基本單元體，體現(xiàn)模型變形自由度，共獲得單元總數(shù)198738個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)96538個(gè)，所建立進(jìn)水塔整體仿真模型如圖2(a)所示，另單獨(dú)給出進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)有限元模型如圖2(b)所示。有限元模型中空間坐標(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。限于篇幅，本文考慮影響進(jìn)水塔攔污柵墩結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征的連系梁尺寸參數(shù)，就不同設(shè)計(jì)參數(shù)方案分別開展影響性計(jì)算研究。

圖2 有限元仿真模型

邊界約束荷載考慮進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)自重，外荷載為地震動作用，以擬靜力法考慮將地震動作用分為慣性力與動水壓力影響。其中慣性力以反應(yīng)譜作為荷載確認(rèn)，本文地震動反應(yīng)譜以工程現(xiàn)場實(shí)測值作為施加荷載，其具體測量反應(yīng)譜圖如圖3所示，分解成進(jìn)水塔空間體系中3個(gè)方向，分別作用在結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)上。動水壓力按照式(1)計(jì)算[13- 15]，并施加在進(jìn)水塔地基結(jié)構(gòu)體系中。

圖3 加速度反應(yīng)譜實(shí)測值

(1)

式中，H—深度；Zi、Ai—壩基距離與截面積。

2.2 連系梁截面高度

為研究連系梁截面尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)對柵墩結(jié)構(gòu)體系動力影響特性，為此設(shè)置不同截面高度研究工況，分別為0.6、0.8、1、1.2m，另截面跨度、長度均保持為5.5m和0.6m，典型設(shè)計(jì)方案幾何截面示意圖如圖4所示。

圖4 典型設(shè)計(jì)方案連系梁幾何截面示意圖(不同高度)

2.2.1應(yīng)力響應(yīng)特征

基于有限元仿真計(jì)算，獲得連系梁不同設(shè)計(jì)高度下柵墩體系結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力變化特征，如圖5所示。

從圖中可知，橫、縱梁拉應(yīng)力受截面高度影響顯著，當(dāng)截面高度增大時(shí)，橫梁軸向拉應(yīng)力顯著減低，較大的截面高度可抑制橫梁拉應(yīng)力發(fā)展，截面高度0.6m是最大拉應(yīng)力為16.7MPa，而截面高度1.2m時(shí)最大拉應(yīng)力相比前者降低了23.1%；縱梁拉應(yīng)力隨截面高度增大有所漲幅，特別是在截面高度0.8m后，拉應(yīng)力最大值增大趨勢才顯著，截面高度1.2m下最大拉應(yīng)力相比高度0.8m時(shí)，增大幅度為7.7%。柵墩第三主應(yīng)力隨連系梁截面高度稍有降幅，但趨勢并不顯著，即柵墩第三主應(yīng)力分布受截面高度影響較弱。從拉應(yīng)力表現(xiàn)結(jié)果來看，連系梁截面高度設(shè)計(jì)參數(shù)主要可降低橫梁拉應(yīng)力量值，對縱梁拉應(yīng)力影響在截面高度0.8m后顯著，柵墩第三主應(yīng)力不受截面高度設(shè)計(jì)參數(shù)影響。

圖5 柵墩體系結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力變化特征(不同截面高度)

2.2.2位移特征

圖6為計(jì)算獲得不同截面高度下柵墩各方向位移特征，從圖中可知，柵墩y、z向與連系梁截面高度并無顯著關(guān)系，各高度方案下位移均保持一致，y、z向位移分別穩(wěn)定在13.5m和4mm；柵墩x向位移與截面高度為負(fù)相關(guān)變化，截面高度1.2m時(shí)位移相對值約為16mm，而高度0.6m時(shí)位移相比前者增大了12.5%，達(dá)18mm。分析表明，改變截面高度設(shè)計(jì)參數(shù)時(shí)，可降低柵墩x向變形，但并不影響y、z向變形發(fā)展。

圖6 柵墩體系結(jié)構(gòu)位移變化特征(截面高度)

2.3 截面寬度

前述分析已知截面高度增大可降低柵墩結(jié)構(gòu)體系受拉與變形，降低進(jìn)水塔水工結(jié)構(gòu)受地震動荷載影響，而截面設(shè)計(jì)尺寸中還包括有寬度參數(shù)，因而本文還將就截面寬度影響開展分析。為此，同截面高度研究方案類似，本文設(shè)計(jì)有不同寬度研究方案，分別為寬度0.6、0.8、1、1.2m，前文已知截面高度1.2m時(shí)結(jié)構(gòu)抗震性能較佳，因而4個(gè)寬度研究方案的高度均設(shè)定為1.2m，典型方案幾何截面示意圖如圖7所示。

圖7 典型方案幾何截面示意圖(不同寬度)

2.3.1應(yīng)力響應(yīng)特征

基于各截面寬度參數(shù)下動力響應(yīng)計(jì)算，獲得柵墩結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力響應(yīng)特征，如圖8所示。從圖中可知，當(dāng)截面寬度改變時(shí)，橫、縱梁拉應(yīng)力變化特征為相反態(tài)勢，橫梁拉應(yīng)力隨截面寬度逐漸降低，而縱梁拉應(yīng)力逐漸升高，截面寬度0.6m時(shí)橫、縱梁拉應(yīng)力分別為12.8MPa和8.3MPa，而截面寬度增大至1.2m時(shí)，橫、縱梁拉應(yīng)力分別降低了25.6%、增大了34.9%；分析表明，連系梁截面寬度增大，可抑制橫梁拉應(yīng)力產(chǎn)生，但一定程度會助長縱梁拉應(yīng)力。柵墩第一主應(yīng)力受截面寬度影響，稍有下降，截面寬度1.2m時(shí)的柵墩第三主應(yīng)力相比0.8、0.6m時(shí)分別降低了1.3%、1.7%。綜合來看，截面寬度尺寸與橫梁拉應(yīng)力為正相關(guān)、與縱梁拉應(yīng)力為負(fù)相關(guān)，柵墩第一主應(yīng)力響應(yīng)特征稍有影響，如圖8所示。

圖8 柵墩體系結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力變化特征(截面寬度)

2.3.2位移響應(yīng)特征

同理類似，獲得各寬度研究方案下柵墩結(jié)構(gòu)體系位移響應(yīng)特征，如圖9所示。柵墩結(jié)構(gòu)y、z向位移幾乎無變化，保持水平狀態(tài)，分別穩(wěn)定在13.9mm和4mm左右，即截面寬度改變對柵墩y、z向位移響應(yīng)特征無影響。柵墩x向位移逐漸遞減，截面寬度1.2m時(shí)位移值為13.5mm，相比于寬度0.6m時(shí)下降了15.7%，增大連系梁截面寬度設(shè)計(jì)參數(shù)，可抑制柵墩結(jié)構(gòu)位移發(fā)展，減弱柵墩結(jié)構(gòu)受地震荷載發(fā)生較大變形的危險(xiǎn)。

圖9 柵墩體系結(jié)構(gòu)位移變化特征(截面寬度)

3 連系梁綜合尺寸設(shè)計(jì)參數(shù)對柵墩結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響特征

前述均是通過控制連系梁設(shè)計(jì)尺寸的單一變量因素，探討另一設(shè)計(jì)因素對墩系結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)影響，本文還將就連系梁綜合尺寸參數(shù)對結(jié)構(gòu)影響開展分析，并基于截面寬度不超過高度尺寸的設(shè)計(jì)原則，設(shè)置連系梁高寬尺寸如下研究方案：(A方案)0.6m×0.6m、(B方案)0.8m×0.6m、(C方案)0.8m×0.8m、(D方案)1m×0.6m、(E方案)1m×0.8m、(F方案)1m×1m、(G方案)1.2m×0.6m、(H方案)1.2m×0.8m、(I方案)1.2m×1m、(J方案)1.2m×1.2m，具體截面尺寸見表1，另給出典型設(shè)計(jì)方案的幾何截面示意如圖10所示。

圖10 典型設(shè)計(jì)方案幾何截面圖(高寬綜合因素)

3.1 動力響應(yīng)特征

圖11為10個(gè)尺寸研究方案下柵墩結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力響應(yīng)特征。從圖11可看出，從A方案—J方案，橫梁拉應(yīng)力最大值逐漸降低，J方案拉應(yīng)力僅為9.6MPa，相比A、B方案分別降低了42.2%、39.6%；A方案—J方案中，縱梁的最大拉應(yīng)力為緩慢增大，其中J方案相比A方案縱梁拉應(yīng)力增大了32.4%；柵墩結(jié)構(gòu)第一主應(yīng)力基本均穩(wěn)定在8.8MPa左右，并無顯著變化。橫梁壓應(yīng)力均高于縱梁壓應(yīng)力，C方案中，橫梁壓應(yīng)力為15.6MPa，而縱梁壓應(yīng)力僅為前者的54%；且橫梁壓應(yīng)力隨A方案—J方案逐漸降低，橫梁壓應(yīng)力最大降低幅度達(dá)40.1%，縱梁壓應(yīng)力與之相反，呈逐漸增大，J方案相比A方案增大了30.7%；結(jié)構(gòu)整個(gè)體系第三主應(yīng)力與柵墩第三主應(yīng)力變化趨勢與橫梁壓應(yīng)力一致，J方案結(jié)構(gòu)體系第三主應(yīng)力降低幅度達(dá)39%。對比材料允許應(yīng)力強(qiáng)度知，各設(shè)計(jì)方案下壓應(yīng)力均滿足混凝土材料安全允許值，且連系梁截面尺寸面積越大，則承受荷載能力及自身剛度愈高，反映在動力抗震方面，即是梁截面積愈大，抗震性能較佳。

圖12為柵墩各方向位移響應(yīng)特征曲線，從圖中位移變化知，x向位移遞減，J方案x向位移相比A方案降低了27.7%；Z向位移長期穩(wěn)定在3.89～4mm之間；y向位移最大變化幅度不超過0.5mm，各尺寸設(shè)計(jì)方案位移為13.5～14mm。綜合動力響應(yīng)應(yīng)特征初步分析可知，J方案應(yīng)力響應(yīng)水平較低，抗震性能較好。

圖11 柵墩結(jié)構(gòu)體系應(yīng)力響應(yīng)特征

圖12 柵墩體系結(jié)構(gòu)位移特征(高寬綜合因素)

3.2 抗震性能最佳方案

圖13—14分別為J方案應(yīng)力、位移響應(yīng)特征分布圖，橫梁上最大拉應(yīng)力位于柵墩底部橫梁上，達(dá)9.8MPa，最大壓應(yīng)力位于邊緣柵墩；縱梁最大拉應(yīng)力位于柵墩底部，接近閘室底板，達(dá)11MPa，而最大壓應(yīng)力位于縱梁結(jié)構(gòu)中部；柵墩中間結(jié)構(gòu)對稱式應(yīng)力分布，最大拉應(yīng)力為9.8MPa。柵墩結(jié)構(gòu)各向位移中x向位移最大位于接近進(jìn)水塔頂位置，而y向位移最大位于墩底部，豎向沉降變形整體均較小，以中間柵墩頂部沉降最大，為4mm左右。從整體動力響應(yīng)分布來看，J方案應(yīng)力均滿足材料允許強(qiáng)度，最大沉降位移僅為塔高的0.05%，抗震性能較佳。

圖13 進(jìn)水塔攔污柵墩系結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)特征(J方案)

圖14 進(jìn)水塔攔污柵墩系結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)特征(J方案)

4 結(jié)語

(1)研究了連系梁截面高度、寬度與橫梁拉應(yīng)力均為負(fù)相關(guān)，但與縱梁拉應(yīng)力為正相關(guān)，柵墩第三主應(yīng)力受影響較弱；柵墩y、z向與截面高度、寬度無顯著關(guān)系，高度影響下兩方向位移分別穩(wěn)定在13.5mm和4mm左右，截面高度、寬度與x向位移均為負(fù)相關(guān)。

(2)分析了連系梁截面積愈大，橫梁拉應(yīng)力愈小，但縱梁拉應(yīng)力愈大，柵墩第一主應(yīng)力穩(wěn)定在8.8MPa；各方案中壓應(yīng)力均以橫梁為大；截面綜合尺寸影響位移特征與高、寬單因素影響特性一致。

(3)研究了連系梁高寬為1.2m×1.2m時(shí)，應(yīng)力響應(yīng)量值與分布均較佳，最大沉降僅為塔高的0.05%，結(jié)構(gòu)剛度較高，抗震性能最優(yōu)。