地震作用下進(jìn)水塔上部混凝土排架型鋼截面形式優(yōu)選研究

孟祥東

（營(yíng)口海河水利監(jiān)理有限公司，遼寧 營(yíng)口 115000）

1 工程概況

清原抽水蓄能電站位于遼寧省撫順市清原滿族自治縣北三家鄉(xiāng)境內(nèi)，屬于Ⅰ等大（1）型水利工程[1]。其上水庫(kù)位于清原縣摩離紅三東側(cè)摩離紅溝溝首，下水庫(kù)位于渾河右岸的支流大沖溝內(nèi)，電站的輸水系統(tǒng)以及地下廠房系統(tǒng)布置在小石英溝和大石英溝之間的山梁內(nèi)[2]。清原抽水蓄能電站安裝有6臺(tái)單機(jī)容量為300 MW 的單機(jī)混流可逆式水泵水輪機(jī)組，額定水頭高度為390 m，設(shè)計(jì)裝機(jī)容量為1800 MW，年發(fā)電量為30.11 億kW·h，年利用小時(shí)數(shù)為2231 h。電站的上水庫(kù)為混凝土面板堆石壩，設(shè)計(jì)洪水標(biāo)準(zhǔn)為200 年一遇，校核洪水標(biāo)準(zhǔn)為2000年一遇。上水庫(kù)的正常蓄水位為725 m，死水位為695 m，正常蓄水位對(duì)應(yīng)的庫(kù)容為1433萬(wàn)m3[3]。電站輸水發(fā)電系統(tǒng)的進(jìn)水塔位于上水庫(kù)大壩上游靠近右岸的部位，設(shè)計(jì)為岸塔式結(jié)構(gòu)，其基建面高程為685 m，塔頂高程為740.5 m，排架頂高程為764.3 m，總塔高為79.3 m。進(jìn)水塔由底部的塔體和上部排架兩大部分構(gòu)成，上部排架的高度為24.3 m，排架柱截面為1.2 m×1.2 m，橫梁尺寸為1.5 m×1.2 m；排架的頂層厚度為0.2 m。按照原施工設(shè)計(jì)，進(jìn)水塔的塔體和排架均采用C30 混凝土。相對(duì)于下部結(jié)構(gòu)，進(jìn)水塔的上部排架無(wú)論是結(jié)構(gòu)質(zhì)量還是結(jié)構(gòu)剛度均較小，是地震應(yīng)力作用下最容易遭受破壞的部分[4]。顯然，在排架結(jié)構(gòu)遭受破壞的情況下，進(jìn)水塔的正常運(yùn)行乃至電站的整體安全都將受到嚴(yán)重威脅，因此其抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)就顯得尤為重要[5]?；诖?，本次研究試圖通過(guò)數(shù)值模擬的方式，對(duì)地震作用下的混凝土排架型鋼截面形式進(jìn)行優(yōu)選研究，以便為工程設(shè)計(jì)提供必要的借鑒和支持。

2 有限元計(jì)算模型的構(gòu)建

2.1 模型的構(gòu)建

ANSYS 有限元軟件是一款大型商用工程仿真設(shè)計(jì)軟件，具有多種分析功能，推出之后在巖土力學(xué)以及結(jié)構(gòu)分析等方面獲得廣泛地應(yīng)用，同時(shí)也取得了良好的模擬研究效果。因此，研究中利用ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建[6]。

結(jié)合相關(guān)研究成果和工程實(shí)際，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的整體模型范圍為基礎(chǔ)的上下游、左右岸以及深度各取1 倍塔高。模型的計(jì)算邊界條件為：進(jìn)水塔的上下游和左右側(cè)面按照施加豎向位移條件，模型的底部按照固定邊界條件處理，施加全位移約束，模型的上部為自由邊界條件。為了利于模型的構(gòu)建，以進(jìn)水塔的前期設(shè)計(jì)資料為依據(jù)，首先利用CAD軟件建立進(jìn)水塔的整體幾何模型，然后導(dǎo)入ANSYS有限元軟件進(jìn)行數(shù)值計(jì)算模型的構(gòu)建[7]。幾何模型以垂直于右岸指向左側(cè)的方向?yàn)閄軸正方向，以垂直于X軸指向上游的方向?yàn)閅軸的正方向，以豎直向上的方向?yàn)閆軸正方向。

進(jìn)水塔的塔體采用六面體實(shí)體單元進(jìn)行網(wǎng)格模型劃分，上部排架結(jié)構(gòu)則采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，啟閉機(jī)層以及排架的頂層利用殼單元進(jìn)行模擬，研究中假定進(jìn)水塔的混凝土結(jié)構(gòu)為各向同性的均質(zhì)彈性連續(xù)體[8]。整個(gè)模型共劃分為162 555 個(gè)網(wǎng)格單元，150 010個(gè)計(jì)算節(jié)點(diǎn)，模型示意圖如圖1所示。

圖1 進(jìn)水塔整體有限元模型示意圖

2.2 荷載的施加

在進(jìn)行進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)計(jì)算過(guò)程中，計(jì)算荷載主要包括自重、水重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、浪壓力、風(fēng)壓力以及地震作用[9]。其中，模型的地基視為無(wú)質(zhì)量單元，混凝土結(jié)構(gòu)的重度按25.0 kN/m3進(jìn)行計(jì)算；根據(jù)進(jìn)水塔的運(yùn)行工況，在所有與水接觸的面上全部施加靜水壓力，水的重度取9.8 kN/m3；計(jì)算過(guò)程中對(duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)底面按庫(kù)水位施加揚(yáng)壓力；將浪壓力與進(jìn)水塔的上游面靜水壓力疊加，施加到上游面；按《水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL744-2016）計(jì)算風(fēng)壓力，并施加到進(jìn)水塔的水面以上的表面。

地震荷載包括地震慣性力和地震動(dòng)水壓力。根據(jù)壩址區(qū)的地震資料，地震烈度為7度，主要水工建筑設(shè)計(jì)地震參數(shù)水平加速度為113.7 gal，超越概率為10%，特征周期為0.55 s。在施加過(guò)程中需要同時(shí)計(jì)入水平和豎向地震作用，根據(jù)《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（NB35047-2015）的規(guī)定，應(yīng)該分別采用擬靜力法和振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用，并施加于計(jì)算模型。在進(jìn)水塔的動(dòng)水壓力分析中，僅考慮其慣性作用，而不考慮水體可壓縮性的影響。鑒于動(dòng)水壓力與水深存在顯著關(guān)聯(lián)，因此需要結(jié)合水深數(shù)據(jù)編寫不同高程的動(dòng)水壓力函數(shù)，并通過(guò)等效面力的方式施加于塔體表面。

2.3 計(jì)算方案

在研究中保持7%的配鋼量不變，設(shè)計(jì)了H型、十字型和方形3種不同的混凝土柱排架型鋼截面形式，并利用數(shù)值模擬計(jì)算的方式，進(jìn)行正常蓄水位遭遇地震條件下的動(dòng)力計(jì)算分析，以獲取最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

3 計(jì)算結(jié)果與分析

3.1 位移計(jì)算結(jié)果與分析

在地震作用下，只有進(jìn)水塔的整體結(jié)構(gòu)不發(fā)生較大的位移變形，才能保證其穩(wěn)定運(yùn)行。鑒于進(jìn)水塔上部排架的高度較大，不同高程的位移特征可能有所不同，因此分別選擇排架圈梁第四層（進(jìn)水塔頂層）、圈梁第三層（啟閉機(jī)層以及塔體頂面和排架底面的相交處）、圈梁第一層混凝土柱關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位移最大值，對(duì)不同混凝土柱排架型鋼截面形式下的位移特征進(jìn)行對(duì)比分析，且分析僅針對(duì)混凝土單元進(jìn)行，不包括型鋼的應(yīng)力。利用構(gòu)建的有限元模型，對(duì)不同方案下的型鋼混凝土排架結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行計(jì)算，并提取出各向位移的最大值，結(jié)果如表1 所示。由表1可知，在3種不同的計(jì)算方案下，進(jìn)水塔的變形主要表現(xiàn)為剪切變形，從而使進(jìn)水塔上部的排架結(jié)構(gòu)以剛體平動(dòng)為主，并具有比較顯著的鞭梢效應(yīng)。隨著進(jìn)水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。主要原因是上部排架結(jié)構(gòu)會(huì)受到自重作用的顯著影響。另一方面，由于進(jìn)水塔上部的排架結(jié)構(gòu)在地震應(yīng)力作用下會(huì)受到較大的水平荷載影響，因此X向位移和Y向位移明顯大于Z向位移。因此，需要利用內(nèi)部型鋼的剛度對(duì)排架水平強(qiáng)度需求進(jìn)行彌補(bǔ)。從3種不同的設(shè)計(jì)方案位移對(duì)比結(jié)果來(lái)看，H 型結(jié)構(gòu)的位移量最大，十字型結(jié)構(gòu)次之，方形結(jié)構(gòu)的位移量最小。以變形量最大的圈梁第四層來(lái)看，采用方形結(jié)構(gòu)形式時(shí)的X向、Y向和Z向最大位移量分別為22.2、12.3和3.7 mm，與H 型結(jié)構(gòu)相比分別減小15.9%、12.1%和15.9%；與十字型結(jié)構(gòu)相比分別減小11.2%、8.2%和11.9%。由此可見(jiàn)，進(jìn)水塔上部混凝土排架型鋼采用方形截面結(jié)構(gòu)更有利于地震條件下的進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)位移控制。

表1 排架關(guān)鍵部位位移計(jì)算結(jié)果 mm

3.2 應(yīng)力計(jì)算結(jié)果與分析

在地震作用下，排架結(jié)構(gòu)的上部容易發(fā)生破壞，在圈梁第三層和第一層往往存在較大的應(yīng)力分布。因此，選擇排架圈梁第四層、圈梁第三層和圈梁第一層混凝土柱關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的X向應(yīng)力（Sx）、Y向應(yīng)力（Sy）、Z向應(yīng)力（Sz）、第一主應(yīng)力（S1）以及第三主應(yīng)力（S3）進(jìn)行對(duì)比分析。利用構(gòu)建的模型對(duì)不同方案下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表2 所示。由表2可以看出，隨著排架高程的不斷增加，各應(yīng)力值呈現(xiàn)不斷減小的趨勢(shì)。究其原因，主要是排架結(jié)構(gòu)可視為懸臂梁，其剪力和彎矩往往會(huì)集中于結(jié)構(gòu)的底部。同時(shí)，由于排架的混凝土柱和梁的連接部位拉應(yīng)力較大，因此在后續(xù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)該加強(qiáng)該部位的配筋。從不同方案的對(duì)比來(lái)看，應(yīng)力水平最高的是H 型結(jié)構(gòu)、其次是十字型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力水平最低的是方形結(jié)構(gòu)。以應(yīng)力水平最高的圈梁第一層為例，方形結(jié)構(gòu)的X向應(yīng)力、Y向應(yīng)力、Z向應(yīng)力、第一主應(yīng)力以及第三主應(yīng)力最大值分別為2.41、2.33、7.56、8.10 和10.01 MPa，與H 型結(jié)構(gòu)方案相比分別減小了15.7%、24.4%、19.4%、26.4%和8.67%，與十字型方案相比分別減小了8.71%、6.80%、12.5%、17.8%和3.75%。由此可見(jiàn)，進(jìn)水塔上部混凝土排架型鋼采用方形截面結(jié)構(gòu)更有利于地震條件下的進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)應(yīng)力的控制。

表2 排架關(guān)鍵部位應(yīng)力計(jì)算結(jié)果MPa

4 結(jié)論

本文以清原抽水蓄能電站進(jìn)水塔為例，利用數(shù)值模擬的方式進(jìn)行了地震作用下進(jìn)水塔上部混凝土排架型鋼截面形式優(yōu)選研究，獲得的主要結(jié)論如下：

（1）進(jìn)水塔的變形主要表現(xiàn)為剪切變形，隨著進(jìn)水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈現(xiàn)出增大的趨勢(shì)。從不同的設(shè)計(jì)方案位移對(duì)比結(jié)果來(lái)看，H 型結(jié)構(gòu)的位移量最大，十字型結(jié)構(gòu)次之，方形結(jié)構(gòu)的位移量最小。

（2）隨著排架高程的不斷增加，各應(yīng)力值呈現(xiàn)出不斷減小的趨勢(shì)。從不同方案的對(duì)比來(lái)看，應(yīng)力水平最高的是H 型結(jié)構(gòu)、其次是十字型結(jié)構(gòu)，應(yīng)力水平最低的是方形結(jié)構(gòu)。

（3）綜合本文研究成果，方形截面方案的位移量最小，應(yīng)力水平最低，為最佳設(shè)計(jì)方案，建議在工程設(shè)計(jì)中采用。