水工框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的性能分析

韓延貴，楊青順

(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院，青海 西寧 810016；2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3.青海省水利水電勘測設(shè)計研究院，青海 西寧 810012)

水工框架結(jié)構(gòu)在水利水電工程中承擔(dān)著啟閉閘門、宣泄洪水的重要作用，因而水工框架結(jié)構(gòu)的抗震性能是大壩等擋水建筑物在地震中受損后，能否及時泄空庫水，避免發(fā)生潰壩等嚴(yán)重后果的決定因素。研究水工框架結(jié)構(gòu)的抗震性能，不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計，才能提高大壩等擋水建筑物在地震下的安全運(yùn)行能力，避免或減輕地震造成的災(zāi)害損失。於正芳等[1]對包括水工框架結(jié)構(gòu)等非壩體水工建筑物的動力模型試驗(yàn)方法進(jìn)行了研究。研究表明，水平向地震對高聳建筑物影響較大，是高聳薄壁建筑物的抗震薄弱環(huán)節(jié)。芮開天等[2]以西北某水閘為例，采用動力時程法計算了水閘上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。研究結(jié)果表明，上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)呈現(xiàn)隨高程增加而線性增大的趨勢，且結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中出現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連接處。王舟等[3]應(yīng)用非平穩(wěn)隨機(jī)過程模擬的譜表示——隨機(jī)函數(shù)方法，通過代表性時程集合的平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的擬合比較，發(fā)現(xiàn)K-T(Kanai-Tajimi)廣義演變譜模型更適用于水工建筑物抗震設(shè)計。劉冬梅[4]對某水電站攔河閘工程結(jié)構(gòu)和地基進(jìn)行了三維有限元靜力分析和動力響應(yīng)分析，發(fā)現(xiàn)在順?biāo)鞣较?，閘墩對排架的地震效應(yīng)影響很小，在垂直水流方向，閘墩對排架的地震效應(yīng)影響較大。張冰[5]對一個10層框架結(jié)構(gòu)在近場地震作用下的響應(yīng)特性作了深入的研究，發(fā)現(xiàn)近場地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)遠(yuǎn)大于一般地震動作用下的響應(yīng)。涂勁等[6]對某水電站高拱壩-地基體系的地震響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析，發(fā)現(xiàn)在地震超載和滑裂面抗剪強(qiáng)度降低的計算工況中，壩體位移反應(yīng)的突變有不同的表現(xiàn)形式。然而關(guān)于在罕遇地震下水工框架結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究較少。本文以西北某水閘上部鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例，基于纖維有限元模型，采用動力時程分析方法對該結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能進(jìn)行計算分析，以期為高烈度區(qū)水工框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考和建議。

1 工程背景

某引水樞紐位于青海省柴達(dá)木盆地南部，樞紐控制灌溉面積5 800 hm2，灌渠最大引水流量為7 m3/s。引水樞紐主體為泄洪沖沙閘，根據(jù)規(guī)范SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[7]，工程等別為Ⅲ等，工程規(guī)模為中型。泄洪沖沙閘、進(jìn)水閘、溢洪道等永久性主要建筑物級別為3級，邊坡防護(hù)工程、消能防沖等次要建筑物級別為4級。工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇，相應(yīng)的洪水流量為 407 m3/s，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇，相應(yīng)的洪水流量為720 m3/s。

泄洪沖沙閘布置在主河床，閘前正常蓄水位為3 106.4 m，設(shè)計洪水位為3 106.4 m，校核洪水位為3 108.5 m，總庫容為14.1×105m3。泄洪沖砂閘最大泄水流量為691.5 m3/s，設(shè)3個孔口，單孔孔口尺寸為6.5 m×5 m，底板設(shè)計高程3 100.0 m，閘墩頂高程3 110.0 m。設(shè)3臺卷揚(yáng)式啟閉機(jī)，啟閉機(jī)設(shè)置在泄洪沖沙閘上部鋼筋混凝土框架上?？蚣転槿湃龑咏Y(jié)構(gòu)，垂直水流方向總跨度為23 m，順?biāo)鞣较蚩傞L度為5.2 m，總高度為11 m?？蚣苤畲蟪叽鐬?.6 m×0.6 m，框架梁最大尺寸為0.6 m×0.4 m。

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[8]，工程區(qū)地震動峰值加速度為 0.15 g，相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。近場區(qū)5 km以內(nèi)無活斷層，區(qū)域重磁異常不明顯，根據(jù)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性四分體系分級，工程區(qū)屬構(gòu)造穩(wěn)定性較好區(qū)。工程各項(xiàng)建筑物抗震設(shè)防類別為丁類，需進(jìn)行抗震計算，并對主要建筑物采取相應(yīng)的抗震措施。

2 模型建立

2.1 計算模型

圖1 計算模型Fig.1 Calculation model

根據(jù)盈建科軟件設(shè)計結(jié)果，采用通用非線性有限元軟件MSC.Marc為平臺，建立泄洪沖沙閘結(jié)構(gòu)的有限元模型。模型建立情況見圖1，荷載加載情況見圖2。建模的基本方法如下：

(1)混凝土梁柱采用清華大學(xué)基于MSC.Marc開發(fā)的纖維梁單元THUFIBER[9]進(jìn)行模擬，MSC.Marc為98號單元。

(2)樓板采用薄殼139號單元進(jìn)行模擬。

(3)混凝土和鋼筋的材料參數(shù)均根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范采取對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值，混凝土核心區(qū)的本構(gòu)采用SR約束模型[10]。

(4)對于結(jié)構(gòu)的荷載，將梁和樓板上的荷載折算為相應(yīng)的梁和樓板的密度進(jìn)行模擬。

圖2 啟閉層梁柱尺寸及啟閉荷載分布情況Fig.2 Beam-column dimensions and distribution of loading of headstock

2.2 計算參數(shù)

框架第1層及第2層柱截面尺寸均為0.6 m×0.6 m，第3層柱截面尺寸為0.4 m×0.4 m；第1層及第3層梁截面尺寸均為0.4 m×0.4 m，第2層主梁截面尺寸為0.6 m×0.4 m，次梁尺寸為0.4 m×0.4 m。框架混凝土標(biāo)號為C30F250，彈性模量為3×104N/mm2，軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20.1 N/mm2；鋼筋采用HRB400鋼筋，彈性模量為2×105N/mm2，鋼筋抗壓及抗拉強(qiáng)度設(shè)計值均為360 N/mm2。

2.3 地震動選取

根據(jù)工程位置區(qū)域地震動參數(shù)及設(shè)防烈度，結(jié)合GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)范，生成符合本工程特性的設(shè)計反應(yīng)譜(見圖3)。從圖3可知，設(shè)計反應(yīng)譜分為3段：第1段為周期小于0.1 s的區(qū)段，β取從1.0到2.25的直線段；第2段為周期自0.1 s至特征周期0.46 s的水平段，β取最大值2.25；第3段為周期自0.46 s至3.0 s的區(qū)段，β按公式β(T)=2.25(0.30/T)0.6取值。再根據(jù)生成的設(shè)計反應(yīng)譜，從太平洋地震工程研究中心(PEER)的數(shù)據(jù)庫中選取了11條地震動(見圖4)，并將地震加速度峰值(PGA)調(diào)幅至我國相關(guān)規(guī)范[11]的7度罕遇地震水平，即PGA=310 cm/s2。調(diào)幅后的地震動記錄按x∶y∶z=1.00∶0.85∶0.65的比例三向輸入[12]。分析采用經(jīng)典的Rayleigh阻尼，阻尼比取5%。

圖3 設(shè)計反應(yīng)譜Fig.3 Design response spectrum

圖4 地震加速度時程曲線Fig.4 Time-history curve of earthquake acceleration

表1模型質(zhì)量檢驗(yàn)

表2模型周期檢驗(yàn)

2.4 模型驗(yàn)證

模型驗(yàn)證通過驗(yàn)算模型的結(jié)構(gòu)總重量和模型

主要周期是否與設(shè)計結(jié)果吻合。驗(yàn)算結(jié)果見表1和表2。由表1可以看出，模型的重量檢驗(yàn)結(jié)果誤差小于3%，說明模型在重量上和設(shè)計結(jié)果吻合的較好。再由表2可以看出，模型在主要平動周期上的誤差均小于20%，說明模型的動力特性符合要求。

3 結(jié)果與分析

3.1 位移響應(yīng)分析

文中采用選取的11 條地震動來分析體系在罕遇地震(PGA=310 cm/s2)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在框架沿垂直高度每層取一個特征點(diǎn)提取出垂直水流方向(X方向)和順河流方向(Y方向)的位移數(shù)據(jù)，并給出框架體系在11條地震動下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的中位值，根據(jù)位移數(shù)據(jù)及樓層高度計算出每層的層間位移角，生成了位移隨樓層的變化曲線(圖5)和層間位移角隨樓層的變化曲線(圖6)。

由圖5可以看出，結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)呈隨樓層高度增大而增大的趨勢，最大位移出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂端，且順?biāo)鞣较?Y方向)位移明顯大于垂直水流方向(X方向)位移，這是因?yàn)閄方向是三跨結(jié)構(gòu)，Y方向是單跨結(jié)構(gòu)，Y方向剛度小于X方向，變形更加明顯。此外，結(jié)構(gòu)位移在第二層以上變化不太明顯，這主要是由于結(jié)構(gòu)在第三層有樓板，整體剛度相比第一層和第二層更高，位移響應(yīng)更小。

根據(jù)圖5中的位移及樓層高度可計算出各層層間位移角，由層間位移角曲線(圖6)可以看出，結(jié)構(gòu)層間位移角隨樓層高度增大而線性減小。由圖6還可以看出，順河流方向(Y方向)的層間位移角變化最為明顯，主要還是因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)在順?biāo)鞣较驗(yàn)閱慰缃Y(jié)構(gòu)，相比垂直水流方向(X方向)剛度小，位移響應(yīng)更加明顯。此外，框架體系在罕遇地震作用下，體系的最大層間位移角為0.018，小于規(guī)范中結(jié)構(gòu)彈塑性位移角的限值(限值為1/50)。

圖5 樓層-位移Fig.5 Floor-displacement

圖6 樓層-層間位移角Fig.6 Angle of floor-to-floor displacement

3.2 整體變形分析

為了研究構(gòu)件的損傷破壞，對于梁或柱單元，根據(jù)纖維梁單元中鋼筋纖維的應(yīng)變是否大于屈服應(yīng)變來判斷梁柱構(gòu)件是否出現(xiàn)塑性鉸。屈服應(yīng)變由鋼筋的屈服應(yīng)力與彈性模量確定[12]。由于結(jié)構(gòu)的第1周期點(diǎn)上，El-Centro地震動的加速度反應(yīng)譜與設(shè)計反應(yīng)譜的誤差為18.2%(圖7)，小于20%，滿足規(guī)范GB 50011—2016《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[13]第5.1.2條要求，因此結(jié)構(gòu)損傷分析以El-Centro 作為典型輸入，計算模型及計算參數(shù)同前文一致。計算完成后，框架整體塑性鉸的分布情況如圖8所示?？蚣荏w系在罕遇地震作用下，結(jié)構(gòu)在主要梁柱節(jié)點(diǎn)及柱與基礎(chǔ)連接部位出現(xiàn)塑性鉸，說明結(jié)構(gòu)在罕遇地震下已經(jīng)損傷，喪失了結(jié)構(gòu)在地震后繼續(xù)工作的能力。

圖7 El-Centro 地震動加速度反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜對比Fig.7 Comparison between acceleration response spectrum and standard response spectrum of earthquake by EI-Centro

圖8 框架梁柱塑性鉸分布情況Fig.8 Distribution of plastic hinges of frame beam and column

3.3 主要構(gòu)件變形分析

啟閉機(jī)安裝在機(jī)架下面的鋼筋混凝土大梁上，SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[14]中對安裝啟閉機(jī)的大梁的撓度有專門的要求，即撓度ω≤l/500(l為計算跨度)。因此本文中通過對啟閉機(jī)安裝大梁撓度的計算，分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的主要構(gòu)件變形情況，以及變形對結(jié)構(gòu)主要功能的影響。本次分析結(jié)構(gòu)是3孔閘，每孔的啟閉機(jī)均由啟閉層上的2根大梁直接承擔(dān)。因此文中對3組6根大梁的撓度進(jìn)行計算并提取，結(jié)果見表3。

表3啟閉機(jī)安裝大梁變形驗(yàn)算

由表3可以發(fā)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)在遭遇罕遇地震時，啟閉機(jī)安裝大梁撓度最小為6.97 mm，最大為8.55 mm。大梁撓度均大于設(shè)計規(guī)范[14]要求的撓度限值(ω=2.4/500=4.80 mm)，不滿足結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生后的緊急啟閉要求。

4 討論與結(jié)論

劉冬梅[4]研究認(rèn)為，對于閘墩上部排架結(jié)構(gòu)，在順?biāo)鞣较?，閘墩對排架的地震效應(yīng)影響很小，在垂直水流方向，閘墩對排架的地震效應(yīng)影響較大，因而排架在順?biāo)鞣较虻奈灰祈憫?yīng)大于垂直水流方向的位移響應(yīng)。本研究結(jié)果表明，順?biāo)鞣较?Y方向)位移和層間位移角均大于垂直水流方向(X方向)的位移和層間位移角，這與上述的結(jié)論一致。芮開天等[2]采用動力時程法計算了水閘上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，發(fā)現(xiàn)閘室上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)呈現(xiàn)隨高程增加而線性增大的趨勢。本研究也得出，結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)呈隨樓層高度增大而增大的趨勢。此外，本文研究還發(fā)現(xiàn)，啟閉層(第三層)因?yàn)閯偠却?，位移響?yīng)變化相對其它層較小。在罕遇地震下，結(jié)構(gòu)的主要梁柱節(jié)點(diǎn)及柱與基礎(chǔ)連接部位均出現(xiàn)塑性鉸，且啟閉機(jī)安裝大梁撓度均大于規(guī)范限值，不滿足結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生后的緊急啟閉要求。需要進(jìn)一步研究改進(jìn)設(shè)計方案，提高結(jié)構(gòu)抗震性能。本次研究得到了水工框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的一些初步結(jié)論，對于高烈度區(qū)的水工框架結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)和參考意義。關(guān)于如何根據(jù)研究結(jié)果，改進(jìn)設(shè)計方案，提高水工框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能，還需進(jìn)一步研究。