某大型泵站樞紐結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力分析

汪 明，張 衛(wèi) 云，段 衛(wèi) 通

(1.中國(guó)水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860；2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計(jì)院股份有限公司，江蘇 南京 210022)

1 概 述

目前所建設(shè)的大型泵站多采用下部封閉圈層、上部排架廠房、前部蓄水池、后部排水設(shè)施的方式進(jìn)行布置，形成集灌溉、防洪、引水、排澇于一體的綜合水利樞紐，但在其調(diào)度運(yùn)行過(guò)程中，一旦出現(xiàn)調(diào)度險(xiǎn)情，這些結(jié)構(gòu)將面臨靜、動(dòng)力雙重?fù)p傷、損壞以及遭受破壞的風(fēng)險(xiǎn)，為水工建筑物的安全服役埋下了重大隱患[1]。為此，急需開(kāi)展八度烈度地震區(qū)大型泵站樞紐結(jié)構(gòu)的動(dòng)力服役性能分析以獲取結(jié)構(gòu)動(dòng)力方面的關(guān)鍵參數(shù)指標(biāo)，達(dá)到精確、高效評(píng)估該類(lèi)樞紐結(jié)構(gòu)安全性能的目的。某大型泵站樞紐工程等別為Ⅱ等大(2)型，主要建筑物級(jí)別為2級(jí)，所在地區(qū)地震基本烈度為八度。泵房封閉圈底平面尺寸為74.1 m×18.5 m，立墻高12.3 m，上部廠房跨度為18.5 m，長(zhǎng)76.1 m，立墻高11.65 m，桁車(chē)設(shè)計(jì)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為32 t。該工程設(shè)有C20混凝土墊層，其余建筑物均采用C40鋼筋混凝土，桁車(chē)梁采用Q235鋼板材。

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB51247-2018)[2]與《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50265-2010)[3]的要求，工程中常采用擬靜力法和動(dòng)力法進(jìn)行抗震動(dòng)力分析[4]。筆者通過(guò)建立考慮地基-基礎(chǔ)-填土-結(jié)構(gòu)-荷載相互作用的泵站樞紐整體有限元模型開(kāi)展了八度地震區(qū)抗震動(dòng)力研究。

2 模型的建立

計(jì)算模型的邊界條件為：(1)基礎(chǔ)部分向進(jìn)水方向延長(zhǎng)19 m，向出水方向延長(zhǎng)30.4 m，模型左側(cè)向外取23.6 m，模型右側(cè)向外取26.1 m，左側(cè)、右側(cè)、出水側(cè)地面部分寬度各取5 m，垂直向各呈1∶1.5的坡度；(2)后填土部分向進(jìn)水方向延長(zhǎng)14 m，向出水方向延長(zhǎng)25.4 m，模型左側(cè)向外取18.6 m，模型右側(cè)向外取21.1 m，左側(cè)、右側(cè)、進(jìn)水、出水側(cè)地面部分寬度分別取18.6 m、21.1 m、14 m、25.4 m，垂直向各呈1∶1.5的坡度，與基礎(chǔ)相匹配。(3)進(jìn)水前池部分向進(jìn)水方向延長(zhǎng)7.5 m，分別由5條豎向隔板和左邊墩、右邊墩組成；(4)泵房封閉圈結(jié)構(gòu)分為三段，自左向右分別編號(hào)為Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段。

采用有限元分析平臺(tái)對(duì)泵站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行離散化，其三維模型見(jiàn)圖1(a)，三維網(wǎng)格模型見(jiàn)圖1(b)。其中，混凝土相關(guān)結(jié)構(gòu)采用SOLID65單元，桁車(chē)梁采用SHELL63單元，地基與填土均采用SOLID185單元[5]，材料參數(shù)見(jiàn)表1。

(a)三維模型圖

(b)三維網(wǎng)格模型圖圖1 泵站整體結(jié)構(gòu)分析模型圖

3 模態(tài)分析

泵房封閉圈及上部廠房結(jié)構(gòu)自振特性采用子空間迭代法，動(dòng)力分析采用振型分解反應(yīng)譜法，提取前20階振型，各振型之間采用CQC方法組合，即取各階振型地震作用效應(yīng)平方總和的方根作為總地震作用效應(yīng)，并計(jì)算其自振頻率以及所對(duì)應(yīng)的各階振型，獲得前6階振型云圖(圖2)，前20階自振頻率見(jiàn)表2。

表1 材料參數(shù)取值表

(a)第1階振型圖

(b)第2階振型圖

(c)第3階振型圖

(d)第4階振型圖

(e)第5階振型圖

(f)第6階振型圖圖2 前六階振型位移云圖

表2 泵站整體結(jié)構(gòu)自振頻率一覽表

4 結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析

依據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》(GB18306-2015)[6]和《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2016)[7]等要求，對(duì)于該泵站結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震作用分析時(shí)宜采用標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜模型，標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線見(jiàn)圖3，并按振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算，查詢(xún)得到八度烈度地震區(qū)響應(yīng)譜動(dòng)力分析參數(shù)見(jiàn)表3。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)反應(yīng)譜曲線圖

表3 響應(yīng)譜分析參數(shù)一覽表

進(jìn)一步借助Visual Basic編程軟件，開(kāi)發(fā)出計(jì)算與“加速度人工反應(yīng)譜”相關(guān)的頻率和加速度參數(shù)的輸出界面。

根據(jù)所得相關(guān)動(dòng)力參數(shù)，取前20階各個(gè)頻率點(diǎn)帶入“人工反應(yīng)譜參數(shù)計(jì)算程序”計(jì)算加速度-頻率響應(yīng)譜，計(jì)算所得頻率及其對(duì)應(yīng)的加速度見(jiàn)表4。

表4 加速度-頻率響應(yīng)譜輸入?yún)?shù)表

4.1 完建蓄水工況動(dòng)力分析

依據(jù)《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL191-2008)等規(guī)范及Mises屈服準(zhǔn)則，對(duì)該泵站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了完建蓄水工況地震動(dòng)作用分析，得到該有限元分析模型的代表性基礎(chǔ)部分Mises等效應(yīng)力云圖(圖4)及泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移云圖(圖5)。

圖4 基礎(chǔ)部分Mises等效應(yīng)力云圖

圖5 泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移云圖

通過(guò)完建蓄水工況計(jì)算，得到該工況下泵站結(jié)構(gòu)的抗震分析結(jié)果：(1)基礎(chǔ)與填土最大等效應(yīng)力為1.5 MPa，應(yīng)力水平小于砂質(zhì)泥巖勘察承載應(yīng)力強(qiáng)度，泵房封閉圈結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)等效應(yīng)力在0.19～0.25 MPa之間，經(jīng)復(fù)核滿足地基設(shè)計(jì)承載要求；(2)泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移在21.5～27.93 mm之間，泵房封閉圈結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.001～2.73 MPa之間，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；(3)主廠房排架柱結(jié)構(gòu)綜合位移在1.31～7.55 mm之間，主廠房排架柱結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.017～1.69 MPa之間，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

4.2 運(yùn)行疊加工況動(dòng)力分析

對(duì)該泵站整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)行疊加工況地震動(dòng)作用分析，得到該有限元分析模型的代表性基礎(chǔ)部分Mises等效應(yīng)力云圖(圖6)及泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移云圖(圖7)。

圖6 基礎(chǔ)部分Mises等效應(yīng)力云圖

通過(guò)運(yùn)行疊加工況計(jì)算，得到該工況下泵站結(jié)構(gòu)的抗震分析結(jié)果：(1)基礎(chǔ)與填土最大等效應(yīng)力為1.49 MPa，應(yīng)力水平小于砂質(zhì)泥巖勘察承載應(yīng)力強(qiáng)度，泵房封閉圈結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)等效應(yīng)力在0.2～0.32 MPa之間，經(jīng)復(fù)核滿足地基設(shè)計(jì)承載要求；(2)泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移在21.51～28.76 mm之間，泵房封閉圈結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.013～2.74 MPa之間，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求；(3)主廠房排架柱結(jié)構(gòu)綜合位移在1.31～7.55 mm之間，主廠房排架柱結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.019～1.69 MPa之間，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度要求。

圖7 泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移云圖

4.3 對(duì)比分析

通過(guò)對(duì)完建蓄水工況與運(yùn)行疊加工況兩種情況進(jìn)行對(duì)比分析，形成以下結(jié)論：

(1)運(yùn)行疊加工況與完建蓄水工況得出的基礎(chǔ)部分位移與應(yīng)力分布規(guī)律一致，泵房封閉圈結(jié)構(gòu)下部基礎(chǔ)等效應(yīng)力在0.19～0.32 MPa之間，表明主廠房桁車(chē)滿載運(yùn)營(yíng)對(duì)基礎(chǔ)擾動(dòng)影響甚微，地震動(dòng)作用因素起主導(dǎo)作用，兩種工況下基礎(chǔ)均滿足設(shè)計(jì)承載強(qiáng)度要求。

(2)運(yùn)行疊加工況與完建蓄水工況得出的泵房封閉圈結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力分布規(guī)律一致，兩種工況下泵房封閉圈結(jié)構(gòu)綜合位移均在21.51～28.76 mm之間，主廠房桁車(chē)滿載運(yùn)營(yíng)相較于地震動(dòng)作用而言，地震動(dòng)作用因素起主導(dǎo)作用。

(3)運(yùn)行疊加工況與完建蓄水工況得出的主廠房排架柱結(jié)構(gòu)位移與應(yīng)力分布規(guī)律一致，兩種工況下主廠房排架柱結(jié)構(gòu)綜合位移均在1.31～7.55 mm之間，滿足規(guī)范規(guī)定的側(cè)向位移要求；主廠房排架柱結(jié)構(gòu)等效應(yīng)力在0.017～1.69 MPa之間，應(yīng)力水平均小于規(guī)范規(guī)定的應(yīng)力強(qiáng)度，進(jìn)一步表明排架柱結(jié)構(gòu)運(yùn)行服役安全受地震動(dòng)作用影響主導(dǎo)。

5 結(jié) 語(yǔ)

鑒于水工結(jié)構(gòu)工程地震響應(yīng)與地震波波頻、傳播方向等有關(guān)，不能完全模擬地震波作用過(guò)程，因此，筆者根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》與《泵站設(shè)計(jì)規(guī)范》等標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，建立了考慮地基-基礎(chǔ)-填土-結(jié)構(gòu)-荷載相互作用的泵站樞紐整體結(jié)構(gòu)動(dòng)力數(shù)值分析模型，完成了考慮結(jié)構(gòu)自重、土壓力、靜水壓力、地震動(dòng)水壓力等作用力組合狀態(tài)下的三維結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力性能并得出以下結(jié)論：

(1)通過(guò)模態(tài)分析求得該種泵站樞紐整體結(jié)構(gòu)的前20階自振頻率分布在1.602～3.845 Hz之間。

(2)基于所開(kāi)發(fā)的“加速度人工反應(yīng)譜”頻率和加速度參數(shù)輸出界面進(jìn)行的泵站樞紐整體結(jié)構(gòu)抗震動(dòng)力分析結(jié)果顯示該類(lèi)型結(jié)構(gòu)在完建蓄水與運(yùn)行疊加工況下，其進(jìn)水前池、泵房封閉圈、泵站基礎(chǔ)和填土以及上部主廠房等結(jié)構(gòu)均滿足八度地震區(qū)抗震設(shè)計(jì)需要，進(jìn)一步為該泵站技施復(fù)核及后期維護(hù)提供了技術(shù)支撐。