超高揚(yáng)程升船機(jī)頂部機(jī)房形式及地震鞭梢效應(yīng)分析*

李志成，陶桂蘭，王嘉煒，張 馳，郜寧靜

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

地震是危及人民生命財(cái)產(chǎn)安全、破壞性極大的突發(fā)性自然災(zāi)害，強(qiáng)烈地震常常會(huì)帶來慘重的生命和財(cái)產(chǎn)損失，以往震害表明水電站進(jìn)水塔頂部啟閉機(jī)房和升船機(jī)塔柱頂部機(jī)房等部位是震害的易損部位[1-2]。在我國日益加快的西部開發(fā)建設(shè)環(huán)境下，高壩通航建筑物的建設(shè)規(guī)模越來越大，為滿足通航需求，擬在地震基本烈度為8度的金沙江白鶴灘修建200 m級(jí)超高揚(yáng)程齒輪齒條垂直升船機(jī)。與已建成的升船機(jī)工程相比，擬建的白鶴灘升船機(jī)提升高度擴(kuò)大了近1倍，使升船機(jī)結(jié)構(gòu)的變形和受力形式變得更加復(fù)雜。有必要針對(duì)其受到地震作用時(shí)可能發(fā)生強(qiáng)烈的鞭梢效應(yīng)而引起的嚴(yán)重震損進(jìn)行深入研究。目前，對(duì)超高揚(yáng)程升船機(jī)機(jī)房尤其是不同機(jī)房結(jié)構(gòu)形式的鞭梢效應(yīng)研究較少。本文基于白鶴灘200 m級(jí)超高揚(yáng)程齒輪齒條垂直升船機(jī)結(jié)構(gòu)，建立考慮地基-塔柱-頂部機(jī)房共同作用的升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型[3]，對(duì)塔柱結(jié)構(gòu)和頂部機(jī)房的動(dòng)力響應(yīng)及鞭梢效應(yīng)進(jìn)行研究。研究成果可為超高揚(yáng)程垂直升船機(jī)塔柱及頂部機(jī)房結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計(jì)指導(dǎo)提供依據(jù)，也可為今后同類型結(jié)構(gòu)的研究提供借鑒。

1 超高揚(yáng)程升船機(jī)頂部機(jī)房形式

1.1 工程概況

擬建金沙江白鶴灘水電站升船機(jī)上游最高通航水位為782 m，下游最低通航水位為581.4 m，最大提升高度為200 m，設(shè)計(jì)通航船舶為3 000噸級(jí)，對(duì)應(yīng)的升船機(jī)類別為Ⅰ級(jí)大型升船機(jī)。升船機(jī)船廂室結(jié)構(gòu)主要包括基礎(chǔ)、擋土墻、承重塔柱和機(jī)房4個(gè)部分，承重塔柱采用的是鋼筋混凝土全筒式結(jié)構(gòu)，對(duì)稱布置在船廂室的左、右兩側(cè)，整個(gè)塔柱結(jié)構(gòu)由2個(gè)大型筒體組成，船廂室寬25.6 m，單側(cè)塔柱寬17.5 m，長110 m，高240 m，擋土墻高46.5 m。塔柱底部與筏形基礎(chǔ)連為整體，筏形基礎(chǔ)總長115 m、總寬73.6 m、高8.5 m，頂部通過7根橫向聯(lián)系梁連接，聯(lián)系梁長25.6 m、高6 m。頂部機(jī)房擬采取分離式機(jī)房的結(jié)構(gòu)形式。

1.2 機(jī)房形式擬定

為了對(duì)比分析不同機(jī)房形式的升船機(jī)在地震作用下的鞭梢效應(yīng)，在升船機(jī)頂部機(jī)房設(shè)計(jì)時(shí)借鑒三峽、向家壩、水口等已建和籌建工程的經(jīng)驗(yàn)，參照文獻(xiàn)[4-6]確定了整體式機(jī)房和分離式機(jī)房2種機(jī)房形式。

1)分離式機(jī)房：升船機(jī)塔柱頂部通過橫向聯(lián)系梁連系，在塔柱結(jié)構(gòu)頂部兩側(cè)左右對(duì)稱布置機(jī)房，機(jī)房由鋼筋混凝土排架柱和頂部鋼桁架組成。兩側(cè)機(jī)房之間凈距17.8 m，外輪廓長110.0 m，寬21.1 m，跨度21.1 m。頂部機(jī)房排架柱截面尺寸為1 m×2 m，柱高29.5 m，柱距7.3～8.0 m。

2)整體式機(jī)房：升船機(jī)塔柱頂部通過梁板結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)橫向連接，并構(gòu)成頂部機(jī)房的基礎(chǔ)，頂部機(jī)房覆蓋整個(gè)升船機(jī)塔柱，由鋼筋混凝土排架柱和頂部大跨度鋼桁架組成。機(jī)房在船廂室段長110.0 m，寬60.6 m，跨度60.6 m。頂部排架柱的柱高、柱距及截面尺寸均與分離式機(jī)房相同。

2 有限元計(jì)算模型及參數(shù)

2.1 有限元模型

采用大型通用有限元軟件ANSYS針對(duì)不同機(jī)房形式的升船機(jī)結(jié)構(gòu)，分別建立3種工況的有限元模型：工況1為無機(jī)房塔柱模型，機(jī)房結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以附加質(zhì)量的形式施加于塔柱頂部；工況2為設(shè)立整體式機(jī)房的塔柱模型；工況3為設(shè)立分離式機(jī)房的塔柱模型，三維有限元模型及特征點(diǎn)分布見圖1。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SOLID185模擬；鋼筋混凝土排架柱和頂部鋼桁架均采用BEAM189梁單元模擬；地基水平模擬范圍以船廂室基礎(chǔ)輪廓為界，向上下游方向、左右兩側(cè)各模擬240 m；地基深度取1倍結(jié)構(gòu)高度240 m。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。模型建立的坐標(biāo)系為：坐標(biāo)原點(diǎn)為右塔柱結(jié)構(gòu)上游角點(diǎn)，順河向?yàn)閄軸(縱向)，橫河向?yàn)閅軸(橫向)，垂直向上為Z軸。

圖1 三維有限元模型及特征點(diǎn)分布

2.2 計(jì)算參數(shù)

升船機(jī)基礎(chǔ)地處玄武巖區(qū)，對(duì)基巖分層考慮，各層平均靜態(tài)模量取11 GPa[7]，泊松比為0.23，密度為2.7 t/m3，升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)的材料采用線彈性本構(gòu)模型模擬，混凝土材料彈性模量采用動(dòng)彈性模量，按規(guī)范取為靜彈性模量值的1.5倍，結(jié)構(gòu)采用Rayleigh阻尼，阻尼比取5%[8]，塔柱結(jié)構(gòu)各部位密度、彈性模量、泊松比見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 地震波

擬建升船機(jī)位于地震基本烈度為8度的場(chǎng)區(qū)，根據(jù)NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，確定地震荷載的峰值加速度值為0.276g。由于升船機(jī)塔柱縱向剛度遠(yuǎn)大于橫向剛度，故僅考慮橫向地震和豎向地震的組合作用，豎向地震荷載加速度取橫向地震荷載的2/3，采用無質(zhì)量地基模型[9]，地震動(dòng)在結(jié)構(gòu)-地基的交界面處輸入[10]。

利用中國建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范反應(yīng)譜程序和SIMQKE_GR程序隨機(jī)生成3條人工地震波(相關(guān)系數(shù)不大于0.3)作用于結(jié)構(gòu)，地震波持續(xù)時(shí)長為20 s，計(jì)算時(shí)間步長為0.02 s，人工地震波加速度時(shí)程曲線見圖2。

圖2 人工地震波加速度時(shí)程曲線

3 有限元計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 超高揚(yáng)程升船機(jī)結(jié)構(gòu)模態(tài)

采用ANSYS有限元軟件針對(duì)工況1進(jìn)行自振特性分析，利用Block Lanczos 法提取塔柱結(jié)構(gòu)前50階振型，塔柱結(jié)構(gòu)前10階頻率及振型參與系數(shù)見表2。

表2 頻率及振型參與系數(shù)

從表2可以看出，塔柱結(jié)構(gòu)的前10階振型，主要以橫向、扭轉(zhuǎn)和縱向振動(dòng)為主，其中有4階振型以橫向振動(dòng)為主，分別是第1、4、6、7階。塔柱結(jié)構(gòu)一階為整體橫向振動(dòng)，二階為整體扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，三階為整體縱向振動(dòng)，四階為整體橫向交叉振動(dòng)，表明該塔柱結(jié)構(gòu)也較易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，由于塔柱的扭轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)對(duì)升船機(jī)結(jié)構(gòu)的正常運(yùn)行非常不利，因此在進(jìn)行塔柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)有必要適當(dāng)增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，以保證升船機(jī)的安全運(yùn)行。圖3為塔柱結(jié)構(gòu)前4階整體振型圖。

圖3 塔柱結(jié)構(gòu)振型圖

3.2 超高揚(yáng)程升船機(jī)結(jié)構(gòu)鞭梢效應(yīng)

為便于比較各工況的動(dòng)力響應(yīng)，以基礎(chǔ)頂部為零高程面，在塔柱及機(jī)房排架柱結(jié)構(gòu)上沿高程方向選取多個(gè)特征點(diǎn)，見圖1。采用時(shí)程分析法計(jì)算不同工況下塔柱結(jié)構(gòu)和頂部機(jī)房在地震作用下的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)(橫向)。

3.2.1位移響應(yīng)

根據(jù)3條人工地震波時(shí)程分析結(jié)果得到各特征點(diǎn)的位移響應(yīng)，機(jī)房頂部與塔柱頂部位移響應(yīng)極值及放大系數(shù)如表3所示，文中的放大系數(shù)是指頂部機(jī)房與塔柱頂部的動(dòng)力響應(yīng)之比。

表3 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)極值及放大系數(shù)

由表3可知，設(shè)立整體式機(jī)房的升船機(jī)塔柱頂部和機(jī)房頂部最大位移響應(yīng)分別為43.37、60.45 cm，位移放大系數(shù)為1.39倍；設(shè)立分離式機(jī)房的升船機(jī)塔柱頂部和機(jī)房頂部最大位移響應(yīng)分別為49.71、61.31 cm，位移放大系數(shù)為1.23倍；可見，工況2與工況3的機(jī)房頂部位移響應(yīng)較塔柱頂部有了較大提高，發(fā)生了地震鞭梢效應(yīng)，整體式機(jī)房的位移響應(yīng)增幅大于分離式機(jī)房，圖4給出的最大位移響應(yīng)沿高程變化曲線可以更加直觀地體現(xiàn)這一點(diǎn)。對(duì)比各個(gè)工況，工況3與工況1主體塔柱部分的位移響應(yīng)具有一致性，工況2塔柱頂部的位移響應(yīng)較工況1減小了13.5%，這主要是由于設(shè)立整體式機(jī)房的塔柱頂部由梁板結(jié)構(gòu)連接的結(jié)果。

圖4 最大位移響應(yīng)沿高程變化曲線

3.2.2加速度響應(yīng)

根據(jù)3條人工地震波時(shí)程分析結(jié)果得到各特征點(diǎn)的加速度響應(yīng)，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)極值及放大系數(shù)見表4，加速度沿高程變化曲線見圖5。

表4 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)極值及放大系數(shù)

圖5 最大加速度響應(yīng)沿高程變化曲線

從圖5可以看出，工況2、3的最大加速度響應(yīng)曲線在機(jī)房柱底處發(fā)生明顯的突變，加速度變化速率較主體塔柱部分有大幅度的提高，鞭梢效應(yīng)十分顯著，主要是該處截面尺寸減小、結(jié)構(gòu)剛度突變所致。由表4可知，塔柱頂部的加速度響應(yīng)較其底部有所放大；設(shè)立整體式機(jī)房的升船機(jī)塔柱頂部和機(jī)房頂部最大加速度響應(yīng)分別為3.14、16.50 m/s2，加速度放大系數(shù)為5.25倍；設(shè)立分離式機(jī)房的升船機(jī)塔柱頂部和機(jī)房頂部最大位移響應(yīng)分別為3.21、11.35 m/s2，加速度放大系數(shù)為3.53倍，整體式機(jī)房的加速度響應(yīng)增幅大于分離式機(jī)房。對(duì)比各個(gè)工況，工況2和工況3主體塔柱部分的加速度響應(yīng)與工況1基本一致，但是塔柱頂部加速度較工況1降低了8.5%～10.5%，說明頂部機(jī)房的設(shè)立在一定程度上降低了主體塔柱頂部的加速度響應(yīng)，主要是由于鞭梢效應(yīng)導(dǎo)致地震能量上移，對(duì)下部塔柱結(jié)構(gòu)起到了一定的減震效果。

綜上可知，地震作用下頂部機(jī)房的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)較塔柱結(jié)構(gòu)均有明顯的提高，考慮地基-塔柱-頂部機(jī)房三者共同作用的超高揚(yáng)程升船機(jī)結(jié)構(gòu)地震鞭梢效應(yīng)明顯。地震波沿塔柱結(jié)構(gòu)自底向上具有放大效應(yīng)，頂部機(jī)房在下部塔柱結(jié)構(gòu)的激勵(lì)下發(fā)生振動(dòng)，在設(shè)立整體式機(jī)房的塔柱頂部動(dòng)力響應(yīng)更弱的基礎(chǔ)下，分離式機(jī)房的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)放大系數(shù)仍小于整體式機(jī)房，分離式機(jī)房較整體式機(jī)房在鞭梢效應(yīng)方面表現(xiàn)得更弱?？梢姡煌瑱C(jī)房形式的升船機(jī)鞭梢效應(yīng)強(qiáng)弱有較大差異，在升船機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)充分考慮其差異，合理確定機(jī)房形式。

4 結(jié)論

1)塔柱結(jié)構(gòu)前兩階振型是橫向振動(dòng)和扭轉(zhuǎn)振動(dòng)，在設(shè)計(jì)時(shí)須重點(diǎn)關(guān)注200 m級(jí)超高揚(yáng)程升船機(jī)塔柱結(jié)構(gòu)在地震作用下的橫向振動(dòng)及扭轉(zhuǎn)變形，必要時(shí)須采取諸如增強(qiáng)結(jié)構(gòu)的抗扭剛度等措施來減少其不利影響。

2)地震波沿塔柱結(jié)構(gòu)自底向上具有放大效應(yīng)，地震作用下頂部機(jī)房鞭梢效應(yīng)顯著，在加速度響應(yīng)方面尤為強(qiáng)烈；分離式機(jī)房較整體式機(jī)房在鞭梢效應(yīng)方面表現(xiàn)更弱，在升船機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中宜合理選定機(jī)房形式，可適當(dāng)增大或調(diào)整機(jī)房的剛度及質(zhì)量分布。

3)設(shè)計(jì)中須進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，建議塔柱頂部采用梁板結(jié)構(gòu)增強(qiáng)頂部約束，并進(jìn)一步采取減震隔震等措施，確保升船機(jī)安全穩(wěn)定運(yùn)行。