基于時(shí)程分析法的進(jìn)水塔連系梁結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)

王 雨，李守義

（西安理工大學(xué)，陜西 西安 710048）

常見的進(jìn)水塔［1］一般多為高聳且獨(dú)立的建筑物，在地震荷載作用下容易產(chǎn)生大變形和破壞，特別是連接攔污柵墩的橫梁和連接塔體的縱梁剛度較低，是塔體的薄弱部位，容易產(chǎn)生過大的拉壓應(yīng)力，不僅會(huì)使自身結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，而且會(huì)導(dǎo)致攔污柵墩破壞［2－7］。 因此，連系梁的安全問題至關(guān)重要。 曹征良［8］認(rèn)為隨著地震作用的不斷增強(qiáng)，混凝土連系梁通過逐步裂開，使地震能量得到有效耗散。 這種類型的連系梁結(jié)構(gòu)對(duì)高層建筑［9］的動(dòng)力響應(yīng)是有益的。 劉暢等［10］認(rèn)為增大連系梁寬度能夠有效提高連系梁的承載能力，與相同抗彎剛度的普通連系梁相比，其延性與耗能能力明顯增強(qiáng)，這有利于高層結(jié)構(gòu)的抗震。 宋珊珊［11］認(rèn)為在連系梁間增加斜拉梁結(jié)構(gòu)可減輕連系梁在地震荷載作用下的破壞程度，其在抗震方面體現(xiàn)出優(yōu)越性。

上述對(duì)地震作用下連系梁的研究證明了連系梁對(duì)整體建筑物的抗震安全影響較大，又由于現(xiàn)有關(guān)于連系梁的研究多基于橋梁建筑工程，而針對(duì)自身具有特殊性且受力較為復(fù)雜的高聳進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的研究較少，因此有必要專門研究高聳進(jìn)水塔連系梁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與安全性。 本文依托某實(shí)際工程，采用時(shí)程分析法［12］，研究進(jìn)水塔連系梁不同截面形式、尺寸對(duì)進(jìn)水塔關(guān)鍵部位應(yīng)力和位移的影響，為高聳進(jìn)水塔的連系梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況與計(jì)算模型

1.1 工程概況

某大型水利工程進(jìn)水塔底板高程為607 m，頂部高程為683 m，最大塔高76 m，塔寬29 m（垂直水流方向），塔長30 m（順?biāo)鞣较颍?塔體進(jìn)水口設(shè)4 個(gè)攔污柵，尺寸為2.5 m×76 m（寬×高）。 在垂直水流方向上橫梁連接著攔污柵墩，在順?biāo)鞣较蛏峡v梁連接著攔污柵墩與進(jìn)水塔上游胸墻，進(jìn)水塔關(guān)鍵部位如圖1 所示。

圖1 進(jìn)水塔關(guān)鍵部位示意

1.2 材料力學(xué)參數(shù)與有限元模型

進(jìn)水塔體有限元計(jì)算采用彈塑性損傷模型。 該模型是根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》［13］給出的混凝土單軸應(yīng)力與應(yīng)變關(guān)系曲線，結(jié)合Najar 的損傷理論計(jì)算混凝土的損傷因子所建立的［14－16］。 然后使用有限元分析軟件ABAQUS 所附帶的混凝土損傷塑性材料模型去實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)進(jìn)水塔的基本尺寸，數(shù)值模擬分析的對(duì)象［17－18］為全部塔體和塔底1 倍塔高范圍內(nèi)的地基，以指向水流下游方向?yàn)閄軸正方向，以垂直水流指向右岸為Z軸正方向，以垂直向上為Y軸正方向，建立塔體－回填－地基三維有限元模型，如圖2 所示。

圖2 進(jìn)水塔整體有限元模型

1.3 荷載施加

計(jì)算荷載包括自重、靜水壓力、揚(yáng)壓力、動(dòng)水壓力、地震荷載。 其中動(dòng)水壓力的施加方法采取附加質(zhì)量法［19－20］，地基假定為無質(zhì)量地基，地震波采用EL Centro 波，峰值加速度根據(jù)工程的抗震設(shè)防標(biāo)準(zhǔn)取0.474g，對(duì)塔體同時(shí)施加3 個(gè)方向的地震作用，即順?biāo)鞣较?、垂直水流方向以及豎直方向。 設(shè)計(jì)人工地震波如圖3 所示。

圖3 設(shè)計(jì)人工地震波

2 研究內(nèi)容

采用時(shí)程分析法對(duì)動(dòng)力荷載作用下進(jìn)水塔連系梁結(jié)構(gòu)的截面形式及截面尺寸進(jìn)行不同方案的計(jì)算分析，研究進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力、變形及其變化規(guī)律。

方案一：縱梁和橫梁截面寬度均為1.1 m，高度由1.1 m 按0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m 逐漸加高，其截面形式見圖4（a）。

方案二：縱梁和橫梁截面寬度均為1.1 m，跨中截面高度為1.1 m，端部截面高度按0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m 逐漸加高，其截面形式見圖4（b）。

圖4 連系梁截面形式

3 結(jié)果分析

3.1 連系梁高度對(duì)進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的影響

3.1.1 橫梁高度變化

方案一不同橫梁高度下進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力與位移見表1。 由表1 可知：隨著橫梁高度的增大，橫梁軸向最大拉應(yīng)力由14.7 MPa 減小到9.8 MPa，減小33.3%；攔污柵墩最大主應(yīng)力減小幅度較小，應(yīng)力變化值為0.3 MPa；縱梁軸向最大拉應(yīng)力由9.6 MPa 增大到11.9 MPa，增大24.0%。 根據(jù)表1 中攔污柵墩的位移可知，隨著橫梁高度的增大，攔污柵墩Z向位移由34.2 cm減小到27.0 cm，減小21.1%；攔污柵墩X、Y向位移減小幅度較小，位移變化值不大于0.5 cm。

表1 方案一不同橫梁高度下進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位應(yīng)力與位移

可以看出，隨著橫梁截面高度的增大，橫梁的剛度越來越大，不僅減小了橫梁自身的軸向拉應(yīng)力，而且其對(duì)攔污柵墩的約束作用增強(qiáng)，減小了攔污柵墩垂直水流方向的位移。 然而，橫梁截面面積的增大導(dǎo)致橫梁質(zhì)量增大，在地震作用下橫梁的慣性力增大，驅(qū)使著進(jìn)水塔體向前傾斜，從而使得縱梁的軸向拉應(yīng)力增大。

3.1.2 縱梁高度變化

方案一不同縱梁高度下進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移見表2。 由表2 可知：隨著縱梁高度的增大，縱梁軸向最大拉應(yīng)力由8.7 MPa 增大到11.7 MPa，增大34.4%；縱梁與胸墻連接部位的最大主應(yīng)力由5.8 MPa增大到7.4 MPa，增大27.5%；攔污柵墩最大主應(yīng)力由7.5 MPa 減小到6.9 MPa，減小8.0%；橫梁軸向最大拉應(yīng)力由10.5 MPa 減小到10.2 MPa，減小幅度略小。 隨著縱梁高度的增大，攔污柵墩X向位移由34.6 cm 減小到31.6 cm，減小8.7%；攔污柵墩Y、Z向位移減小幅度較小。

表2 方案一不同縱梁高度下進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移

可以看出：隨著縱梁截面高度的增大，縱梁的剛度不斷增大，又由于縱梁連接著塔體與攔污柵墩，其變形幅度較小，因此縱梁剛度不斷增大的過程中，縱梁軸向拉應(yīng)力不斷增大，與胸墻連接部位最大主應(yīng)力增大，而攔污柵墩位移稍有減小，不僅減小了自身主拉應(yīng)力，而且使橫梁軸向最大拉應(yīng)力小幅度減小。

3.2 連系梁端部高度變化對(duì)進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的影響3.2.1 橫梁端部高度變化

方案二不同橫梁端部高度下進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移見表3。 由表3 可知：隨著橫梁端部高度的不斷增大，橫梁軸向最大拉應(yīng)力由14.7 MPa 減小到11.6 MPa，減小21.1%；縱梁軸向最大拉應(yīng)力由9.6 MPa 增大到11.1 MPa，增大15.6%；攔污柵墩最大主應(yīng)力減小幅度較小。 隨著橫梁端部高度的不斷增大，攔污柵墩Z向位移由34.2 cm 降低到28.9 m，降低15.5%，攔污柵墩X、Y向位移減小幅度較小。

表3 方案二不同橫梁端部高度下進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移

可以看出：橫梁增設(shè)切角增大了橫梁與攔污柵墩接觸面的面積，使得橫梁與攔污柵墩整體的剛度增大，不僅使橫梁自身軸向拉應(yīng)力不斷減小，而且一定程度約束了攔污柵墩，減小了攔污柵墩的位移。 然而在地震作用下，橫梁增設(shè)切角后質(zhì)量增大，導(dǎo)致橫梁慣性力增大，驅(qū)使著進(jìn)水塔體向前傾斜，從而使得縱梁軸向拉應(yīng)力增大。

3.2.2 縱梁端部高度變化

方案二不同縱梁端部高度下進(jìn)水塔關(guān)鍵部位的應(yīng)力和位移見表4。 由表4 可知，隨著縱梁端部高度的不斷增大，縱梁軸向最大拉應(yīng)力由8.7 MPa 降低到8.0 MPa，降低8.1%；與胸墻連接部位的最大主應(yīng)力由5.8 MPa 減小到5.0 MPa，減小13.8%；攔污柵墩最大主應(yīng)力由7.5 MPa 減小到6.9 MPa，減小8.0%；橫梁軸向最大拉應(yīng)力由10.5 MPa 減小到9.9 MPa，減小幅度較小。隨著縱梁增設(shè)拋物線形切角高度的不斷增大，攔污柵墩X向位移由34.6 cm 降低到31.4 cm，降低9.3%，攔污柵墩Y、Z向位移減小幅度較小。

可以看出：對(duì)縱梁端部增設(shè)切角增大了縱梁端部剛度，又由于縱梁最大主應(yīng)力主要集中在其端部位置，因此隨著增設(shè)切角截面高度的不斷增大，縱梁端部的剛度不斷增大，縱梁自身軸向拉應(yīng)力則越來越小，與胸墻連接部位的應(yīng)力也越來越小，而攔污柵墩位移稍有減小，減小了自身主拉應(yīng)力的同時(shí)，也使橫梁軸向最大拉應(yīng)力略有減小。

4 結(jié)論

本文采用時(shí)程分析法，研究了動(dòng)力荷載作用下高聳進(jìn)水塔連系梁結(jié)構(gòu)的截面形式與截面尺寸對(duì)進(jìn)水塔關(guān)鍵部位應(yīng)力和位移的影響，得到以下結(jié)論。

（1）增大橫梁整體截面高度，減小了橫梁軸向拉應(yīng)力，減小了攔污柵墩垂直水流方向的位移，小幅度增大了縱梁軸向拉應(yīng)力，故橫梁尺寸增大對(duì)于進(jìn)水塔的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定是有利的；增大縱梁整體截面高度，顯著增大了縱梁本身的軸向拉應(yīng)力，以及與胸墻連接部位的最大拉應(yīng)力，故縱梁尺寸增大對(duì)于進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)整體的安全是不利的。

（2）增大橫梁端部截面高度，減小了橫梁本身的軸向拉應(yīng)力，減小了攔污柵墩垂直水流方向的位移，小幅度增大了縱梁軸向拉應(yīng)力，這與增大橫梁整體截面尺寸效果相同；增大縱梁端部截面高度，降低了縱梁軸向拉應(yīng)力、與胸墻連接部位最大拉應(yīng)力，故縱梁端部截面高度適當(dāng)增大對(duì)減小攔污柵墩連系梁體系的拉應(yīng)力有一定的效果。

對(duì)于高聳進(jìn)水塔連系梁結(jié)構(gòu)的截面形式與截面尺寸的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析之后發(fā)現(xiàn)，增大橫梁端部的截面高度與增大橫梁整體的截面高度效果類似，可以一定程度減少混凝土用量；增大縱梁端部截面高度有利于進(jìn)水塔攔污柵墩連系梁結(jié)構(gòu)的安全。