水電站廠房不同支座方案耗能減震分析

孔家夢

（華北水利水電大學(xué)土木與交通學(xué)院，河南 鄭州 450045）

0 引言

從大量地震震后調(diào)查結(jié)果來看，地震對水電站廠房的影響主要是上部結(jié)構(gòu)，水電站廠房上部結(jié)構(gòu)主要是鋼筋混凝土梁、柱、墻構(gòu)成的框架結(jié)構(gòu)，相對于下部結(jié)構(gòu)而言較單薄。張漢云等［1］以某水電站地面廠房為例，研究了廠房上部結(jié)構(gòu)在地震中的鞭梢效應(yīng)，分別建立了整體模型、下部模型和上部模型。結(jié)果表明：上下部結(jié)構(gòu)連接的位置可能出現(xiàn)較大的動(dòng)應(yīng)力，是上部結(jié)構(gòu)的抗震薄弱部位。馬濤等［2］對某引水式半地面水電站廠房不同網(wǎng)架結(jié)構(gòu)型式進(jìn)行靜力和動(dòng)力分析并進(jìn)行比較，結(jié)果表明：對于大跨度的水電站廠房結(jié)構(gòu)，從受力方面考慮，推薦使用輕質(zhì)網(wǎng)架結(jié)構(gòu)屋頂型式。

郝軍剛等［3］利用ABAQUS 研究罕遇地震作用下廠房結(jié)構(gòu)的破壞模式，發(fā)現(xiàn)屋頂網(wǎng)架抗震性能相對于混凝土結(jié)構(gòu)較差，在罕遇地震下其動(dòng)應(yīng)力非常突出，存在垮塌的風(fēng)險(xiǎn)，水電站廠房的抗震設(shè)計(jì)中應(yīng)該充分重視屋頂網(wǎng)架與上下游墻、柱的連接方式。水電站廠房屋頂網(wǎng)架支座是連接屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)和下部墻柱結(jié)構(gòu)的重要構(gòu)件，且屋頂網(wǎng)架支座承擔(dān)著將屋頂荷載傳遞給支座下部墻柱結(jié)構(gòu)的作用。雖然支座在整個(gè)水電站廠房結(jié)構(gòu)實(shí)際工程造價(jià)中所占的比例較小，但是不同的支座型式由于約束條件的差異使得屋架對墻柱產(chǎn)生的水平推拉力不盡相同，從而直接影響墻柱的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也在一定程度上影響結(jié)構(gòu)的安全性，故研究網(wǎng)架結(jié)構(gòu)與上下游之間的連接是非常必要的。

黑燦等［4］運(yùn)用ANSYS 軟件建立了5種模擬網(wǎng)架結(jié)構(gòu)有限元模型，計(jì)算了廠房的自振特性和機(jī)組振動(dòng)荷載作用下的響應(yīng)，結(jié)果表明：網(wǎng)架與下部支承結(jié)構(gòu)簡支連接比鉸支連接的抗震性能更好。郭鴻儒［5］通過對某一工程實(shí)例水電站廠房端部進(jìn)行研究，對比網(wǎng)架與上部結(jié)構(gòu)之間設(shè)置鉸支座和橡膠支座兩種方案，并進(jìn)行動(dòng)力分析，但其沒有考慮廠房基礎(chǔ)整體作用及雙向地震的影響。陳鵬等［6］以桑河二級水電站工程為例，采用ANSYS 有限元軟件，對固定鉸接支座與橡膠支座進(jìn)行了靜力荷載分析，但沒有考慮地震的影響。景月嶺等［7］建立壩后式水電站廠房模型，通過對比在地震作用下連接水電站廠房頂?shù)目臻g網(wǎng)架和下部結(jié)構(gòu)時(shí)帶錨栓的板式橡膠支座、鉛芯橡膠支座和鉸支座3 個(gè)方案對廠房上部結(jié)構(gòu)的減震影響，結(jié)果表明：鉛芯橡膠支座的減震效果最好。

本研究以某岸邊式水電站廠房為例，建立廠房-地基整體模型，對比分析在雙向地震波的作用下鉸支座、鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座對廠房排架柱的耗能減震影響。

1 工程概況及有限元模型

某水電站地面廠房順河向長39 m，單個(gè)機(jī)組段寬18 m，高38.4 m。以一個(gè)中間標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段為研究對象建立整體有限元模型，模型包括廠房和地基，基巖范圍由廠房向上、下游側(cè)及深度方向各取一倍的廠房高度，具體如圖1 所示。整體坐標(biāo)系選取x方向?yàn)闄M河向，y方向?yàn)轫樅酉?，z方向?yàn)樨Q直向。在計(jì)算范圍內(nèi)，對主廠房上下游排架柱、機(jī)墩、蝸殼以及尾水管外圍混凝土等均按實(shí)際尺寸進(jìn)行模擬，網(wǎng)架采用梁單元模擬，混凝土和墊層采用實(shí)體單元，機(jī)組重量采用質(zhì)量單元模擬在相應(yīng)位置。

圖1 廠房有限元模型

1.1 支座的模擬

鉸接支座一般采用節(jié)點(diǎn)耦合的方式實(shí)現(xiàn)。鉛芯橡膠支座水平向采用combin40單元模擬，豎向采用combin14 單元模擬。高阻尼橡膠支座水平向采用combin39 單元模擬，豎向采用combin14 單元模擬。

1.2 地震波的生成

本廠房所處位置位于設(shè)防烈度8 度區(qū)，地震動(dòng)峰值加速度為0.2g。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51247—2018）［8］中的規(guī)定選取標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜。考慮到目前在結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中核算截面強(qiáng)度時(shí)采用的設(shè)計(jì)地震系數(shù)都為設(shè)計(jì)烈度對應(yīng)值的35%，即為0.07g。本研究計(jì)算時(shí)在順河向和豎向施加地震作用，邊界條件為底邊固定，四周法向約束。地震波加速度時(shí)程如圖2所示。

圖2 地震波加速度時(shí)程

2 自振頻率分析

按不同的支座型式構(gòu)成三種有限元模型，經(jīng)過模態(tài)分析得到其前10階自振頻率，如表1所示。

表1 三種方案自振頻率對比

由表1 中數(shù)據(jù)對比可以看出，當(dāng)采用鉛芯橡膠支座時(shí)，廠房結(jié)構(gòu)自振頻率平均比鉸接支座低24.1%；當(dāng)采用高阻尼橡膠支座時(shí)，廠房自振頻率平均比鉸支座低29.8%。比較鉛芯橡膠支座方案和高阻尼橡膠支座方案可以得出，兩種方案下廠房上部結(jié)構(gòu)固有頻率差別很小，高阻尼橡膠支座方案僅比鉛芯橡膠支座方案平均低8.3%。從模態(tài)分析來看，設(shè)置橡膠支座以后，結(jié)構(gòu)的各階頻率整體上呈降低趨勢，自振周期延長，在地震作用下對結(jié)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用。

3 位移、應(yīng)力分析

3.1 位移分析

在雙向地震中，y向的位移最大，故只對比分析y向三種方案的時(shí)程位移及柱頂柱底第一主拉應(yīng)力。取上、下游柱的柱頂、柱底以及網(wǎng)架中間節(jié)點(diǎn)進(jìn)行對比分析。由于柱頂是位移最大的地方，且各節(jié)點(diǎn)時(shí)程位移曲線圖大致趨勢一致，故只展示三種不同支座下其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線圖。圖3為三種方案中間柱上游節(jié)點(diǎn)的位移時(shí)程曲線圖。

圖3（a）為鉸接支座下節(jié)點(diǎn)1131 的位移時(shí)程曲線圖，可以看出隨著地震波時(shí)間的推移，柱頂?shù)奈灰剖侵饾u增大的，最大達(dá)到36.4 mm。這是因?yàn)殂q接支座下無論是水平剛度還是豎向剛度都是最大的，這導(dǎo)致其在地震作用下吸能耗能效果差。圖3（b）與圖3（c）分別為鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座下節(jié)點(diǎn)1131 的位移時(shí)程曲線圖，可以看出，鉛芯橡膠支座下位移大部分位于-8～8 mm，高阻尼橡膠支座下位移大部分位于-10～10 mm，最大位移分別為20.9 mm和21.6 mm。

對于上游節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)來說，鉸支座的位移明顯大于其他兩個(gè)橡膠支座的位移。由圖3 可得，采用鉛芯橡膠支座的最大動(dòng)位移比鉸接支座的最大動(dòng)位移小42.6%，采用高阻尼橡膠支座的最大動(dòng)位移比鉸接支座的最大動(dòng)位移小42.6%。而對于下游節(jié)點(diǎn)，從整體來看，橡膠支座的位移時(shí)程變化優(yōu)于鉸接支座，但是從最大動(dòng)位移來看，橡膠支座的最大動(dòng)位移要稍高于鉸接支座。故上游采用橡膠支座效果好，其中鉛芯橡膠支座最大動(dòng)位移小于高阻尼橡膠支座，下游采用橡膠支座效果不太明顯。綜合以上結(jié)論可得，采用鉛芯橡膠支座效果最好。

圖3 上游中間節(jié)點(diǎn)1331位移時(shí)程曲線

3.2 應(yīng)力分析

圖4為上下游柱頂以及柱底各節(jié)點(diǎn)的最大第一主拉應(yīng)力。圖4（a）為柱頂節(jié)點(diǎn)的第一主拉應(yīng)力峰值圖，由圖4（a）可知，鉸接支座下節(jié)點(diǎn)的第一主拉應(yīng)力峰值均超過1 MPa，而采用橡膠支座后節(jié)點(diǎn)的第一主拉應(yīng)力峰值都不超過0.4 MPa。由此可得，對于柱頂節(jié)點(diǎn)，采用橡膠支座可大大降低第一主拉應(yīng)力峰值。圖4（b）為柱底節(jié)點(diǎn)的第一主拉應(yīng)力峰值圖，對于上游柱底節(jié)點(diǎn)來說，三種方案下的第一主拉應(yīng)力峰值相差不大，鉛芯橡膠支座方案下的第一主拉應(yīng)力峰值是最小的。而對于下游節(jié)點(diǎn)，橡膠支座方案的第一主拉應(yīng)力峰值高于鉸支座方案，其中節(jié)點(diǎn)4785 的高阻尼橡膠支座方案比鉸接支座方案高89%。這是因?yàn)橄掠沃着c副廠房相連導(dǎo)致應(yīng)力增大。由圖4可得，除了下游側(cè)柱底外，鉛芯橡膠支座方案排架柱的其余部位均是最安全的。從各支座方案對比綜合考慮，鉛芯橡膠支座效果最好。

圖4 上下游柱各節(jié)點(diǎn)第一主拉應(yīng)力

4 結(jié)語

應(yīng)用有限元軟件ANSYS 對岸邊式水電站廠房鉸接支座、鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座進(jìn)行模擬，對比不同支座型式下結(jié)構(gòu)的自振特性和結(jié)構(gòu)的受力、變形。結(jié)果表明，在地震作用下采用鉸支座響應(yīng)最大，采用鉛芯橡膠支座可以有效降低鋼網(wǎng)架對柱產(chǎn)生的水平推拉力和柱頂變位值，但對下游柱底第一主拉應(yīng)力作用不太明顯。這主要是由于廠房結(jié)構(gòu)的自身特點(diǎn)造成的。綜合考慮，鉛芯橡膠支座的耗能減震效果最好。