考慮組合荷載影響下?lián)P州泵閘樞紐靜動力特征研究

沈春林，田 揚(yáng)

（1.南通市九圩港水利工程管理所,江蘇 南通 226300；2.江蘇省江都水利工程管理處,江蘇 揚(yáng)州 225200）

1 引言

水工結(jié)構(gòu)中靜動力響應(yīng)特征不僅與上部結(jié)構(gòu)有關(guān),同時會在基礎(chǔ)工程設(shè)計時考慮抗震效應(yīng)[1-2],從樁土-上部結(jié)構(gòu)組合荷載下,考慮靜動力響應(yīng)特征,更利于水工設(shè)計的全面性與實用性。王閨臣等[3]、李參等[4]為研究水閘結(jié)構(gòu)靜力穩(wěn)定性特征,利用ANSYS 等有限元平臺,從多工況下開展水工結(jié)構(gòu)應(yīng)力、位移分析,為水閘設(shè)施多工況下運(yùn)營進(jìn)行前期校驗。曾欣等[5]、吳小龍[6]為研究水閘結(jié)構(gòu)地震動響應(yīng)特征,通過模擬輸入地震波,探討地震動荷載影響下水閘結(jié)構(gòu)位移、應(yīng)力以及加速度等響應(yīng)特征,從動力響應(yīng)水平評價水閘結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計效果。不論是靜力特征分析或動力響應(yīng)水平探討,均是為水閘結(jié)構(gòu)的運(yùn)營提供參考服務(wù),李密等[7]、張金堂[8]結(jié)合靜動力特征兩方面,通過對比分析水閘等水工建筑的靜動力特征差異,評價結(jié)構(gòu)設(shè)計關(guān)注重點,為工程建設(shè)提供實際依據(jù)。本文為研究揚(yáng)州泵閘樞紐靜、動力響應(yīng)特征,不僅考慮無水工況下結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征,也從流固耦合作用下分析樁土-上部結(jié)構(gòu)與水體質(zhì)量間關(guān)系。

2 研究概況

2.1 工程概況

揚(yáng)州閘乃是揚(yáng)州城區(qū)內(nèi)長江、京杭運(yùn)河重要水利控制樞紐,乃是一座閘泵站綜合水利設(shè)施,泵站抽排、引設(shè)計流量分別為72 m3/s、29 m3/s,一方面承擔(dān)著揚(yáng)州市區(qū)生態(tài)用水供應(yīng),對古運(yùn)河河道以及儀揚(yáng)河進(jìn)行水生態(tài)用水補(bǔ)充,乃是揚(yáng)州市區(qū)打造水生態(tài)、景生態(tài)、湖生態(tài)以及人生態(tài)“四態(tài)化”城市發(fā)展的關(guān)鍵。由于揚(yáng)州主城區(qū)圍繞著長江、淮河水道建設(shè),在汛期常出現(xiàn)警戒水位以及南部山區(qū)的山洪等自然災(zāi)害,不利于揚(yáng)州市區(qū)防洪安全。揚(yáng)州閘始建于1973 年,運(yùn)營年限較長,部分水工設(shè)施出現(xiàn)老化“罷工”,自流抽排不暢,泵機(jī)運(yùn)行效率降低等,為此,對揚(yáng)州閘開展除險加固設(shè)計研究。該泵閘樞紐動力裝置泵站機(jī)組設(shè)計為單、雙向泵各2 臺,且抽排設(shè)計流量分別為20.56 m3/s、16.57 m3/s,而抽引流量設(shè)計為15.17 m3/s,進(jìn)水口斷面寬度、高度分別為5.3 m、3.6 m。閘站內(nèi)各項頂、底板結(jié)構(gòu),其靜、動力安全穩(wěn)定性乃是該座泵閘樞紐安全運(yùn)營的關(guān)鍵。為此,工程部門討論結(jié)合泵閘上部結(jié)構(gòu)特征,對閘站開展組合荷載下靜力特征及地震響應(yīng)分析。

2.2 建模研究

根據(jù)揚(yáng)州泵閘樞紐改建設(shè)計,從樁土-上部結(jié)構(gòu)組合荷載作用下,考慮單孔閘室靜、動力響應(yīng)特征,圖1（a）為采用有限元仿真平臺建立的計算模型。該模型包括了地基樁網(wǎng)部分、上部結(jié)構(gòu)以及閘墩,樁網(wǎng)部分共有45 根灌注樁,間距為1.5 m,上部結(jié)構(gòu)中閘室寬度為2.65 m×1.8 m,根據(jù)結(jié)構(gòu)材料類型,選擇SOLID45、65 單元網(wǎng)格進(jìn)行有限元劃分,具有三自由度方向變形特征,全模型共獲得微單元網(wǎng)格56368 個,節(jié)點數(shù)48628 個。模型中X～Z 分別設(shè)定有古運(yùn)河河道橫向、運(yùn)河水流方向以及結(jié)構(gòu)自重方向,模型影響范圍分別取上、下游30 m,深度取40 m?？紤]樁土接觸面特征,閘站底部樁土接觸模型見圖1（b）。

圖1 結(jié)構(gòu)三維計算模型

為解決樁土接觸面上耦合關(guān)系,引入粘彈性邊界理論,圖2 為粘彈性邊界條件示意[9-10]。

圖2 粘彈性邊界條件示意

在仿真平臺中對揚(yáng)州閘計算模型地基邊界設(shè)定為COMBIN14 單元,指代特定粘彈性邊界,圖3 即為地震動輸入下的揚(yáng)州泵閘有限元模型。計算模型中地基土體為砂礫土,其物理力學(xué)參數(shù)均按照室內(nèi)土工試驗結(jié)果取值。本文選取的地震波類型分別為南京波、Taft 地震波以及人工合成擬合地震波,限于篇幅,本文僅給出前20 s 加速度時程特征曲線,見圖4。

圖3 揚(yáng)州泵閘計算模型

圖4 加速度時程特征

仿真計算包括有靜力特征與動力響應(yīng)兩大部分,前者靜力特征計算包括有三個研究工況,分別為無水工況（A 方案,僅有結(jié)構(gòu)自重）、閘前水位4.8 m（B 方案）、閘前水位5.3 m（C 方案）工況；后者動力響應(yīng)特征包括有自振特性與不同類型地震波下地震響應(yīng)特征分析。

3 閘站樁土-上部結(jié)構(gòu)組合荷載下靜力特征

3.1 位移特征

根據(jù)對閘站三個工況下靜力特征計算,獲得了閘室結(jié)構(gòu)整體變形與各向變形特征,圖5 為閘站整體位移與Z 向位移分布特征。分析可知,隨著閘前水位逐步逼近洪水位,整體變形最大值均有提升,且整體最大位移發(fā)生區(qū)域并未發(fā)生較大改變。相比之下,Z 向沉降位移高于X、Y 向,在無水工況下Z 向沉降位移值達(dá)1.211 mm,而X、Y 向位移最大值較之分別減少了68.5%、81%；當(dāng)閘前水位為4.8 m 時,X、Y 向位移分別為0.7 mm、0.42 mm,與Z 向位移相比,分別減少了43.4%、69.1%；同樣,在閘前水位5.3 m 下,X、Y 向最大位移較之Z 向下分別有差幅31.4%、64.8%。由此可知,閘前水位愈大,則X、Y 向位移與Z 向位移間差幅愈低,閘室結(jié)構(gòu)位移特征各向異性縮小。

圖5 各工況位移分布及變化特征

從Z 向位移分布與變化可知,有水工況下Z 向位移高于無水工況,閘前水位5.3 m 下Z 向最大位移達(dá)2.42 mm。在考慮樁土與上部結(jié)構(gòu)組合荷載下,閘室樁端沉降較小,而樁頂土體沉降較大,樁身周圍土體受剪應(yīng)力集中效應(yīng)影響,極易出現(xiàn)樁間土不均勻沉降。結(jié)合閘站安全設(shè)計要求,不論是有水工況下閘前水位5.3 m 或是無水工況,Z 向沉降位移最大值均未超過50 mm,滿足安全設(shè)計要求[3,11]。

3.2 應(yīng)力特征

同理,根據(jù)靜力特征計算獲得各工況下閘室結(jié)構(gòu)主應(yīng)力分布變化特征,見圖6。由圖中可知,隨著閘前水位增大,閘室結(jié)構(gòu)第一、第三主應(yīng)力增大,閘前水位4.8 m、5.3 m 下第一主應(yīng)力最大值較無水工況下分別增大了80.4%、141.3%,而在第三主應(yīng)力對比下,前兩者與后者工況下差幅分別為61.8%、115.1%。無水工況中張拉應(yīng)力的產(chǎn)生僅局限在閘門面板部分區(qū)域,最大值為0.02 MPa,但閘前水位增大至4.8 m后,在該部分存在張拉區(qū)域有所擴(kuò)大,拉應(yīng)力可達(dá)0.03 MPa。從最大拉應(yīng)力的發(fā)展來看,閘前水位4.8 m、5.3 m 下最大拉應(yīng)力分布在排架與閘墩接觸面上,由于樁頂土與樁端不均勻沉降造成的局部彎矩,因而產(chǎn)生了張拉應(yīng)力分布。分析表明,控制閘前水位,有助于限制樁頂土、樁間土各向異性,進(jìn)而平衡拉、壓應(yīng)力分布場,有效保護(hù)水工設(shè)施運(yùn)營[4,12]。

圖6 主應(yīng)力分布變化特征

4 流固耦合下閘站地震動響應(yīng)特征

4.1 自振特性

根據(jù)對不同階次下自振計算,獲得了無水工況與閘前水位4.8 m 工況下各階自振頻率變化特征,也獲得了典型階次下閘室結(jié)構(gòu)振型演化特征,見圖7。

圖7 閘站結(jié)構(gòu)自振特性

由圖中自振頻率變化可知,無水方案自振頻率高于有水,在第2 階次下兩者差幅為80%,而在第4、6、8 階次下差幅分別可達(dá)82.2%、87.3%、89.2%,即隨計算階次增大,兩者自振特性差幅更大[7,13]。不僅如此,從自振振型分布演化來看,當(dāng)計算階次還較低時,如第1、2 階次下,兩工況中振型均以X 向振動為主,但第二階次下為正X 向振動特征；當(dāng)計算階次逐步延伸,第3 階次下為反對稱振型,而在第6 階次下分別為Z 向振動、對稱式振動。由此可知,有、無水工況下自振振型在初級階次下具有一致性,當(dāng)計算階次深入發(fā)展時,振型演化特征逐步出現(xiàn)差異。

4.2 動力響應(yīng)特征

從閘室樁端至閘頂,均測算結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征,獲得閘體、樁網(wǎng)以及樁土動力響應(yīng)值變化特征。為有效反映閘室在樁土-上部結(jié)合組合荷載下動力響應(yīng)特征,本文探討無水工況、閘前水位4.8 m 方案下結(jié)構(gòu)響應(yīng)特征,圖8 為兩工況下三種不同類型地震波輸入時,結(jié)構(gòu)樁端至閘頂各斷面上最大加速度響應(yīng)特征[5,14]。

圖8 泵閘樞紐加速度響應(yīng)水平

依據(jù)圖中加速度響應(yīng)變化可知,不論是有水或無水工況,均為南京波輸入方案下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)特征水平最高,如在有水工況中,樁身6 m 處南京波輸入下加速度響應(yīng)值為0.83 m/s2,而Taft 地震波、人工合成地震波下同樁身位置處的加速度響應(yīng)值分別為0.47 m/s2、0.18 m/s2；而高度延伸至上部結(jié)構(gòu)后,在閘體38 m 處,Taft 地震波、人工合成地震波加速度響應(yīng)值分別為0.66 m/s2、0.31 m/s2,南京波輸入下較前者分別增大了1.36 倍、3.94 倍。當(dāng)閘體愈靠近結(jié)構(gòu)頂部,則三種地震波輸入下的動力響應(yīng)特征水平差幅愈顯著[15]。

相比之下,無論是何種類型地震波輸入下,無水工況中動力響應(yīng)加速度低于有水工況,同為樁身10 m 處,無水工況中Taft 地震波下加速度響應(yīng)值為0.36 m/s2,而有水工況下同類型荷載同位置處響應(yīng)值較前者增大了29.6%,特別的當(dāng)所在位置位于上部結(jié)構(gòu)42 m 處,有、無水工況下該類型地震波方案響應(yīng)值差距達(dá)32.3%。分析認(rèn)為,當(dāng)?shù)卣鸷奢d,水體的存在,會增加結(jié)構(gòu)慣性力作用[9],從而導(dǎo)致有水工況下結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)水平高于無水工況下。

5 結(jié)論

（1）閘前水位愈高,閘站結(jié)構(gòu)整體變形增大,但整體最大變形所處區(qū)域并無較大改變；Z 向沉降位移高于X、Y 向,且閘前水位愈大,Z 向沉降位移較之X、Y 向差距更??；有水工況下位移高于無水工況,但兩工況下位移最大值均滿足安全設(shè)計要求。

（2）拉應(yīng)力分布在排架與閘墩接觸面上,且有水工況寫張拉應(yīng)力分布區(qū)高于無水工況下,第一、第三主應(yīng)力隨閘前水位增大。

（3）水體慣性力存在有助于削弱結(jié)構(gòu)自振特性；在初級階次下水體慣性力對振型影響較弱,隨計算階次發(fā)展,振型演化逐步出現(xiàn)差異。

（4）南京波輸入下加速度響應(yīng)水平最高,當(dāng)愈靠近上部結(jié)構(gòu),不同類型地震波輸入下加速度響應(yīng)水平差幅加大；任一種地震波輸入下均是有水工況中加速度響應(yīng)水平最大。