某水閘結(jié)構(gòu)抗震能力分析

鄒國(guó)華,周清勇,萬(wàn)亮亮

(1.江西省修江水利電力勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司鄱陽(yáng)分公司，江西 鄱陽(yáng) 333100；2.江西省水利科學(xué)院，南昌 330029)

水閘工程是我國(guó)河湖防洪體系中的重要組成部分，但因?yàn)榻ㄔO(shè)時(shí)期的歷史原因和技術(shù)條件落后，自然災(zāi)害的影響以及后期維護(hù)不足，大量水閘結(jié)構(gòu)存在各類安全隱患。在2009年的全國(guó)大中型水閘專項(xiàng)除險(xiǎn)加固規(guī)劃成果中明確指出，當(dāng)年我國(guó)的2 622座大中型水閘中，有184座存在結(jié)構(gòu)抗震能力不滿足規(guī)范要求的情況，能否安全運(yùn)行關(guān)乎當(dāng)?shù)厝嗣竦纳?cái)產(chǎn)安全[1]。目前為止全世界僅日本方面對(duì)水閘抗震性能開(kāi)展了系統(tǒng)研究[2-3]，我國(guó)多數(shù)水工結(jié)構(gòu)抗震性能分析集中于探索混凝土壩的抗震能力，少數(shù)關(guān)于水閘的研究也將重點(diǎn)放在動(dòng)水-閘門相互作用上，而少有關(guān)注水閘結(jié)構(gòu)自身抗震性能[4-8]。因此，有必要對(duì)我國(guó)處于地震高發(fā)地區(qū)的水閘工程進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震能力計(jì)算。

1 工程概況

某水閘工程主要由閘室、消能設(shè)施和兩岸連接段等結(jié)構(gòu)組成，共分3孔，孔口尺寸為12 m×6 m(寬×高)。閘室過(guò)流總凈寬為36.0 m，總寬為48.0 m(含右岸刺墻)，順流向全長(zhǎng)為48 m。某水閘閘室采用整體式結(jié)構(gòu)，在每個(gè)閘孔底板中心線上設(shè)結(jié)構(gòu)縫，每個(gè)閘室單元呈倒“T”形，橫向?qū)挾葹?4.0 m，閘室順流向長(zhǎng)為25.0 m。閘底板厚為1.5 m，閘墩厚為2.0 m，墩高為16.68 m，胸墻采用板梁式結(jié)構(gòu)，一端與閘墩固結(jié)，另一端與閘墩簡(jiǎn)支，凈寬為12.0 m，高為6.93 m，板厚為0.25 m，底梁寬為1.20 m(豎向)，高為2.00 m(水平向)，中梁寬為1.10 m，高為1.60 m。閘門采用弧形鋼閘門，半徑為10.0 m，弧形閘門支座牛腿高為2.50 m，寬為2.00 m，厚為1.20 m。在弧形門底坎下游側(cè)的閘底板分縫處及防滲鋪蓋的分縫均設(shè)有止水，并與弧形門底坎止水相聯(lián)。

根據(jù)實(shí)際工程尺寸建立某水閘有限元仿真模型(如圖1所示)，在閘體部分易損區(qū)域?qū)⒕W(wǎng)格做細(xì)化處理，并建立薄層單元模擬建基面，地基范圍按不同方向各取1.5倍閘高。模型共有節(jié)點(diǎn)數(shù)為120 768個(gè)，單元數(shù)為86 282個(gè)，模型全部單元采用八節(jié)點(diǎn)六面體單元，由于水閘結(jié)構(gòu)閘墩上的公路橋、啟閉機(jī)房是相對(duì)獨(dú)立的，與閘墩上的墊座并無(wú)一體化的剛性連接，因此，在公路橋與閘墩和啟閉機(jī)房與閘墩之間分別設(shè)置了薄層單元，體現(xiàn)結(jié)構(gòu)連接處的性能差異。

圖1 某閘壩有限元模型示意

2 計(jì)算參數(shù)及仿真理論

2.1 材料參數(shù)

模型按業(yè)主提供的竣工圖紙進(jìn)行材料分區(qū)，由于缺少材料力學(xué)性能參數(shù)的相關(guān)資料，本次仿真計(jì)算材料參數(shù)按照設(shè)計(jì)報(bào)告結(jié)合《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 191—2008)[9]混凝土標(biāo)號(hào)建議值進(jìn)行取值(見(jiàn)表1所示)。其中材料動(dòng)態(tài)參數(shù)在靜態(tài)情況下根據(jù)水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 51247—2018)[10]將彈性模量提升50%，抗壓強(qiáng)度提升10%。

表1 材料參數(shù)

2.2 邊界條件及荷載組合

本次仿真計(jì)算在模型水平向施加法向約束，地基底部施加三向約束，潛在張開(kāi)、滑移塊體部位不施加約束。靜力計(jì)算荷載包括結(jié)構(gòu)自重荷載、靜水荷載、揚(yáng)壓力、土壓力、公路橋荷載和啟閉機(jī)荷載，其中，靜水壓力主要為閘前14.28 m校核水位時(shí)的水推力，公路橋荷載按《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》(JTGD 60—2015)規(guī)定中二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算。采用時(shí)程法在靜力分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行動(dòng)力分析，通過(guò)廣義Newmark法確定每一時(shí)刻壩體與地基的應(yīng)力分布及變形情況。地震荷載選用Koyna實(shí)測(cè)波進(jìn)行計(jì)算，按地震動(dòng)加速度峰值與速度峰值之比A/V可將其分類為高頻波，屬于對(duì)結(jié)構(gòu)較為不利的地震荷載，其歸一化的加速度時(shí)程曲線如圖2所示，采用固定人工邊界作為地基邊界條件，采用Westgaard附加質(zhì)量法考慮地震荷載作用下庫(kù)水—閘體的動(dòng)力相互作用。使用超載法將輸入的地震動(dòng)荷載按比例放大，對(duì)某水閘結(jié)構(gòu)的極限抗震能力作出評(píng)價(jià)。

圖2 Koyna地震波加速度時(shí)程曲線示意

2.3 仿真理論及仿真條件

本文采用通過(guò)Fortran語(yǔ)言自主研發(fā)的有限元仿真軟件，其損傷計(jì)算基于應(yīng)變等效原理，將復(fù)雜的多軸問(wèn)題轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)單的單軸問(wèn)題，再通過(guò)試驗(yàn)得出的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€計(jì)算相應(yīng)損傷值。根據(jù)混凝土的拉壓異性，本文損傷模型選取過(guò)鎮(zhèn)海提出的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€[11]，該曲線已得到國(guó)內(nèi)外科研工作者的認(rèn)可，并納入我國(guó)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[12]。

混凝土單軸受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線表達(dá)式如下：

σ=(1-dt)Ecε

(1)

(2)

(3)

式中：

σ——混凝土的應(yīng)力；

ε——混凝土的應(yīng)變；

ft,r——混凝土單軸抗拉強(qiáng)度；

εt,r——ft,r對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；

dt——單軸受拉損傷變量；

Ec——混凝土彈性模量；

at——混凝土受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線軟化段參數(shù)。

混凝土單軸受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線表達(dá)式如下：

σ=(1-dc)Ecε

(4)

(5)

(6)

式中：

fc,r——混凝土單軸抗壓強(qiáng)度；

εc,r——fc,r對(duì)應(yīng)的應(yīng)變；

dc——單軸受壓損傷變量；

ac——混凝土受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線軟化段參數(shù)。

3 仿真結(jié)果分析

某水閘在校核工況下的靜力仿真結(jié)果見(jiàn)圖3，由圖3可見(jiàn)，某水閘閘室結(jié)構(gòu)各向位移均較小，其中受公路橋荷載及自重荷載作用，結(jié)構(gòu)最大位移位于公路橋跨中位置，其豎直向位移為1.67 mm，小于規(guī)范允許擾度值l0/400的35 mm標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 某水閘靜力仿真結(jié)果示意

閘室結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析如下：受公路橋自重、公路橋荷載以及水荷載的影響，泉港閘交通橋大梁底部中間部位出現(xiàn)了1.32～1.45 MPa的拉應(yīng)力，超過(guò)泉港閘C25混凝土抗拉強(qiáng)度(見(jiàn)表1)，因此，交通橋部位出現(xiàn)多處損傷，但最大損傷值僅為0.11，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)正常使用；受閘門自重、公路橋荷載以及水荷載的影響，泉港閘牛腿部位出現(xiàn)了0.88～1.12 MPa的拉應(yīng)力，極小部分區(qū)域超過(guò)泉港閘C20混凝土抗拉強(qiáng)度(見(jiàn)表1)，因此，牛腿與閘門連接處出現(xiàn)局部細(xì)微損傷，損傷值僅為0.08，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)正常使用；其余各部位應(yīng)力均為超過(guò)混凝土靜態(tài)抗拉強(qiáng)度。

某水閘在不同放大系數(shù)地震動(dòng)荷載作用下的損傷破壞情況如圖4所示，由圖4可見(jiàn)：地震動(dòng)放大系數(shù)的提升對(duì)水閘損傷分布及破壞深度的影響十分可觀。如圖4a所示，在原始Koyna波地震荷載作用下，閘室結(jié)構(gòu)大面積出現(xiàn)表層損傷，主要集中在啟閉機(jī)房，交通橋和閘墩迎水面底部位置，其中閘墩部位出現(xiàn)損傷主要是由于未考慮地基的非線性特性，在線彈性材料與非線性材料的交界部位出現(xiàn)應(yīng)力集中；交通橋部位的損傷主要集中在橋墩支座以及大梁底部，在規(guī)范荷載標(biāo)準(zhǔn)下已屬于出現(xiàn)地震后的最不利情況；啟閉機(jī)房部位的損傷主要集中于閘墩支座以及啟閉機(jī)房側(cè)面頂部，閘墩支座處損傷主要是由于啟閉機(jī)房的側(cè)向剛度遠(yuǎn)低于閘墩結(jié)構(gòu)，因此，在震動(dòng)發(fā)生時(shí)將出現(xiàn)變形不協(xié)調(diào)的情況導(dǎo)致該部位出現(xiàn)應(yīng)力集中，而啟閉機(jī)房側(cè)面頂部處損傷主要是由于鞭梢效應(yīng)，該部位出現(xiàn)的動(dòng)力響應(yīng)遠(yuǎn)大于底部閘墩處。如圖4b所示，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)放大系數(shù)為2.5時(shí)，原損傷部位的損傷面積明顯擴(kuò)大，損傷程度進(jìn)一步加深，同時(shí)胸墻與閘墩銜接處也出現(xiàn)局部損傷。如圖4c所示，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)放大系數(shù)為2.8時(shí)，損傷面積及損傷程度進(jìn)一步提升，可以初步判斷頂部啟閉機(jī)房無(wú)法有效運(yùn)行，達(dá)到抗震能力臨界值。

圖4 不同加速度放大系數(shù)下某水閘結(jié)構(gòu)損傷(D≥0.01)分布示意

為進(jìn)一步驗(yàn)證某水閘的極限抗震能力，對(duì)結(jié)構(gòu)在不同放大系數(shù)地震動(dòng)荷載作用下時(shí)進(jìn)入深度損傷的區(qū)域進(jìn)行分析，結(jié)構(gòu)深度破壞情況如圖5所示。如圖5a所示，在原始Koyna波地震荷載作用下，閘室結(jié)構(gòu)進(jìn)入深度損傷的區(qū)域有限，僅在交通橋大梁底部及啟閉機(jī)房部位出現(xiàn)零星深度損傷，不會(huì)影響結(jié)構(gòu)正常運(yùn)行；如圖5b所示，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)放大系數(shù)為2.5時(shí)，深度損傷部位的損傷面積明顯擴(kuò)大，變化主要出現(xiàn)在頂部啟閉機(jī)房與閘墩銜接部位，此時(shí)機(jī)房易出現(xiàn)局部開(kāi)裂現(xiàn)象，但結(jié)構(gòu)整體仍能正常運(yùn)行；如圖5c所示，當(dāng)?shù)卣饎?dòng)放大系數(shù)為2.8時(shí)，深度損傷面積進(jìn)一步提升，頂部啟閉機(jī)房出現(xiàn)損傷貫通區(qū)域從而整體失效，此時(shí)已無(wú)法有效控制閘門，可以判斷工程無(wú)法正常運(yùn)行，因此，認(rèn)定2.8倍的Koyna波地震荷載即為某水閘的極限抗震能力。

圖5 不同加速度放大系數(shù)下某水閘結(jié)構(gòu)深度損傷(D≥0.6)分布示意

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)仿真某水閘靜動(dòng)態(tài)荷載作用的下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)，分析了其應(yīng)力分布、結(jié)構(gòu)變形及破壞情況，并在此基礎(chǔ)上從損傷破壞的角度進(jìn)一步分析了結(jié)構(gòu)在不同放大系數(shù)地震動(dòng)荷載作用下的工作性態(tài)。

研究表明地震動(dòng)放大系數(shù)的提升對(duì)水閘損傷分布及破壞深度的影響巨大。對(duì)于某水閘結(jié)構(gòu)而言，地震易損區(qū)域主要集中在啟閉機(jī)房，交通橋和閘墩迎水面底部位置，均屬于可預(yù)見(jiàn)的損傷部位，經(jīng)計(jì)算最終認(rèn)為某水閘結(jié)構(gòu)的極限抗震能力為2.8倍的Koyna波地震荷載。地震荷載的隨機(jī)性是其最為重要的特性之一，工程隨時(shí)面臨著超過(guò)抗震設(shè)計(jì)的荷載考驗(yàn)，因此研究抗震分析時(shí)，應(yīng)充分了解結(jié)構(gòu)的極限抗震能力，為結(jié)構(gòu)安全運(yùn)行提供保障。