開敞式防洪閘閘室結構抗震安全分析及加固措施研究

郭博文　范冰　宋力　韓玉龍

摘 要：以處于地震基本烈度８ 度區(qū)的某開敞式防洪閘為例，基于有限元分析軟件，采用時程分析法對閘室結構抗震能力進行了分析。針對閘室上部啟閉機房結構存在的抗震缺陷，制定了不同的抗震加固方案，通過不同加固方案抗震能力對比分析，比選了較優(yōu)加固方案，并在較優(yōu)方案基礎上，探究了連通梁截面尺寸對閘室結構加固效果的內在影響規(guī)律。結果表明：地震作用下防洪閘閘室結構啟閉機房排架柱折角位置處出現(xiàn)較大拉應力區(qū)，其最大拉應力超過了結構承載能力，不滿足抗震安全需求；在各排架柱之間增設連通梁可降低啟閉機房結構動力響應，但設計過程中為避免啟閉機房結構產(chǎn)生鞭梢效應，不宜在頂部位置增設；連通梁截面尺寸對啟閉機房排架柱結構抗震能力影響顯著，實際工程中可通過控制截面尺寸達到理想的抗震加固效果。

關鍵詞：閘室結構；數(shù)值模擬；抗震能力分析；抗震加固措施

中圖分類號：ＴＶ６９１ 文獻標志碼：Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ ｊ．ｉｓｓｎ．１０００－１３７９．２０２４．０４．０２６

引用格式：郭博文，范冰，宋力，等．開敞式防洪閘閘室結構抗震安全分析及加固措施研究［Ｊ］．人民黃河，２０２４，４６（４）：１５３－１５６，１６２．

水閘具有擋水、泄水的雙重功能，在水利工程中被廣泛應用［１－３］ 。我國地震多發(fā)，地震頻度極高，水閘遭受多次地震災害結果表明，地震對水閘的破壞較為嚴重。根據(jù)資料統(tǒng)計表明，水閘的主要震害為排架柱斷裂、閘墩及翼墻裂縫等［４－６］ 。閘室作為水閘工程的咽喉部位，對工程的安全性尤為重要。此外，閘室薄壁結構在強震作用下易發(fā)生貫穿性裂縫，尤其針對閘室上部啟閉機排架柱結構，其在地震作用下存在明顯的“鞭梢效應”，出現(xiàn)貫穿性裂縫的可能性更大。為保證工程在地震作用下安全運行，擬采用有限元模擬技術對開敞式水閘的閘室結構進行抗震能力分析，并針對閘室上部結構進行抗震措施優(yōu)化設計，以期為同類水閘工程提供借鑒和參考。

１ 抗震能力分析

１．１ 有限元模型

某開敞式防洪閘共計６ 孔，每孔寬度６ ｍ，每兩孔相鄰閘墩間設有伸縮縫，故兩孔一聯(lián)，共計三聯(lián)。根據(jù)區(qū)域地質資料，整個場地主要由新沉積的黏土、淤泥、砂土和礫石組成，在實際施工時，通過換填砂礫料對地基進行了處理，防止地基發(fā)生液化破壞。

根據(jù)某閘室結構特點，本次選取中間一聯(lián)進行相關研究，建立了包括地基、閘底板、閘門、閘墩、閘前后水體、交通橋、啟閉機房的閘室結構三維有限元模型（見圖１）。其中：為減弱地基邊界條件對計算結果的影響，以閘底板四周為起點，地基模型向上下游以及左右岸分別延伸２ 倍閘墩高度；為較為真實地反映地震作用下閘前后動水壓力對閘室結構的影響，采用勢流體單元模擬閘前后水體；為提高計算精度，均采用六面體網(wǎng)格對模型進行離散，共計１２０ ４９２ 個節(jié)點、９４ ３１０個單元。

１．２ 計算參數(shù)

１）計算工況及荷載。該防洪閘所處區(qū)域地震基本烈度為８ 度，《水工建筑物抗震設計標準》（ＧＢ５１２４７—２０１８）［７］（以下簡稱設計標準）規(guī)定，一般工程可將場區(qū)地震基本烈度作為結構設計烈度。因此，本次計算工況為正常蓄水位運行期加８ 度地震作用。其中：正常蓄水位運行時防洪閘閘室結構閘前水深２．５０ ｍ，閘后水深２．２０ ｍ；８ 度地震作用時地震動峰值加速度為０．２０ｇ，地基反應譜特征周期Ｔｇ取０．３５ ｓ。

本次計算中主要考慮模型自重、水荷載、淤沙壓力、浪壓力、土壓力、揚壓力、風荷載、啟閉機自重及地震荷載等。其中，揚壓力由浮托力和滲透壓力組成，滲透壓力可采用改進阻力系數(shù)法計算。

２）材料參數(shù)。有限元數(shù)值模擬時，混凝土材料采用線彈性本構模型，同時將等效彈性模量作為混凝土的彈性模量，以體現(xiàn)鋼筋的作用。在線彈性階段，鋼筋與混凝土是協(xié)調變形的，具體等效原則如下：

式中：Ｅｄ 為鋼筋混凝土等效彈性模量，Ｅｃ 為素混凝土彈性模量，Ｅｓ 為鋼筋彈性模量，Ａｓ 為鋼筋截面面積，Ａ為混凝土截面面積。

該工程閘底板、閘墩、交通橋、啟閉機房計算所采用的混凝土材料參數(shù)（未等效前）為：強度等級Ｃ２５，容重２５．０ ｋＮ／ ｍ３，彈性模量２８．０ ＧＰａ，泊松比０．１６７。

３）地震荷載。設計標準規(guī)定，水閘結構應同時考慮順河流方向和垂直河流方向的水平向地震作用。本次抗震分析過程中，根據(jù)設計標準中的設計反應譜，采用三角級數(shù)展開的方法生成兩條標準地震加速度時程曲線，見圖２。計算過程中，基于封閉振動體系的地震波輸入方式，考慮橫河向和順河向地震作用，對閘室結構進行動力響應分析。

４）動水壓力。采用勢流體單元模擬閘前、后水體動水壓力作用時，其控制方程如下：

式中：?２為拉普拉斯算子，Ｐ 為動水壓力，ｃ 為水中聲波波速。

同時，在水體和結構之間設置流固耦合邊界，以此來模擬水體和結構之間的能量傳遞，具體如下：

式中：ｎ 為流固耦合面上流體域的外法線方向坐標，ρ為水的密度，·Ｖ·ｎ 為流固耦合面上沿法向的絕對加速度。

１．３ 結果分析

為了便于對計算結果進行分析，在閘室結構上選取２ 個特征點，具體位置見圖１（ｂ）。

１．３．１ 位移計算結果分析

以順河向位移計算結果為例，閘室結構特征點Ａ順河向位移時程曲線見圖３。在地震作用下，特征點Ａ順河向隨地震荷載往復震蕩，其中位移最大值（絕對值）為１４．１０ ｍｍ，出現(xiàn)在９．１８ ｓ 時刻。

１．３．２ 應力計算結果分析

閘室結構特征點Ｂ 第一主應力時程曲線見圖４。地震作用下特征點Ｂ 第一主應力在２．５５ ｓ 時刻出現(xiàn)最大值，為２８．２４ ＭＰａ，位置在啟閉機房排架柱折角處。

１．３．３ 計算結果合理性分析

為了驗證時程分析法計算結果的合理性，將其與基于振型分解反應譜法的計算結果進行對比分析（見圖３、圖４，限于篇幅不再展示計算結果云圖）。振型分解反應譜法計算結果較時程分析法計算結果偏大，符合一般規(guī)律，兩種方法得到的位移及應力最大值出現(xiàn)位置一致，這在一定程度上證明了本次計算結果的合理性。

１．３．４ 抗震能力分析

根據(jù)排架柱結構截面的配筋，結合文獻［８－１０］中提出的拉應力復核方法，計算可得單位長度閘墩橫截面上最大承載彎矩為６ ４４４．８２ ｋＮ·ｍ，閘室的排架柱結構能承受的最大拉應力為９． ８７ ＭＰａ， 遠低于２８．２４ ＭＰａ。因此，閘室啟閉機房結構抗震能力不滿足安全需求，需要采取相應抗震加固措施。

２ 抗震加固措施研究

主要針對啟閉機房排架柱結構進行抗震加固措施研究。在不改變現(xiàn)有結構形式基礎上，針對閘室上部啟閉機房結構特點，考慮增大啟閉機房結構整體剛度，擬采用以下３ 種方案進行抗震加固。

１）方案１。在閘室上部結構啟閉機房二層排架柱的跨中位置，于順河方向增加３ 根連通梁，于橫河方向增加４ 根連通梁，連通梁的截面尺寸為２５ ｃｍ×４０ ｃｍ（寬×高）。

２）方案２。在閘室上部結構啟閉機房一層排架柱的跨中位置，于順河方向增加３ 根連通梁，于橫河方向增加４ 根連通梁，連通梁的截面尺寸為２５ ｃｍ×４０ ｃｍ（寬×高）。

３）方案３。在閘室上部結構啟閉機房一層和二層排架柱的跨中位置，于順河方向均增加３ 根連通梁，于橫河方向均增加４ 根連通梁，連通梁的截面尺寸為２５ ｃｍ×４０ ｃｍ（寬×高）。

２．１ 不同方案位移計算結果分析

不同方案閘室上部啟閉機房結構特征點Ａ 順河向位移時程曲線見圖５。方案１ 特征點Ａ 順河向位移最大值（絕對值）為１４．６１ ｍｍ，出現(xiàn)在２．５３ ｓ 時刻，相較于未加固方案，其最大值增大了３．６２％；方案２ 特征點Ａ 順河向位移最大值（絕對值）為８．７１ ｍｍ，出現(xiàn)在２．８３ ｓ 時刻，相較于未加固方案，其最大值減小了３８．２３％；方案３ 特征點Ａ 順河向位移最大值（絕對值）為７．０５ ｍｍ，出現(xiàn)在２．８４ ｓ 時刻，相較于未加固方案，其最大值減小了５０％。

２．２ 不同方案應力計算結果分析

不同方案閘室上部啟閉機房結構特征點Ｂ 第一主應力時程曲線見圖６。方案１ 特征點Ｂ 第一主應力在９．１７ ｓ 時刻出現(xiàn)最大值，為３７．４０ ＭＰａ，相較于未加固方案增大了３２．４４％，原因是方案１ 的加固措施使其在地震作用下產(chǎn)生了“鞭梢效應”，增大了啟閉機房整體動力響應；方案２ 特征點Ｂ 第一主應力在３．０１ ｓ 時刻出現(xiàn)最大值，為８．７８ ＭＰａ，相較于未加固方案減小了６８．９１％，方案２ 的加固措施增加了啟閉機房一層結構的剛度，加固效果明顯；方案３ 特征點Ｂ 第一主應力在３．０１ ｓ 時刻出現(xiàn)最大值，為８．２０ ＭＰａ，相較于未加固方案減小了７０．９６％。

２．３ 不同方案結果對比分析

對比不同方案特征點Ａ 和特征點Ｂ 動力響應時程曲線可知，方案２ 和方案３ 加固效果明顯，特征點Ａ順河向位移和特征點Ｂ 應力響應顯著降低。為了更直觀體現(xiàn)３ 種加固方案效果差別，表１ 給出了不同方案下特征點Ａ 位移結果統(tǒng)計。相較于方案２，方案３特征點Ａ 順河向位移和特征點Ｂ 第一主應力僅降低了１９．０６％和６．６１％。

綜上所述，方案１ 加固措施增加啟閉機房二層結構剛度的同時，也增大了啟閉機房二層結構質量，同時未改變一層結構剛度，使其在地震作用下產(chǎn)生了“鞭梢效應”，增大了啟閉機房整體動力響應；方案２ 和方案３ 的加固措施均增大了啟閉機房一層結構剛度，顯著降低了啟閉機房結構整體動力響應。相較于方案２，方案３ 啟閉機房結構整體動力響應降幅偏小，且增大了經(jīng)濟成本。因此，綜合考慮推薦方案２ 抗震加固措施。

３ 截面尺寸對抗震加固效果影響

本節(jié)在方案２ 的基礎上，增大連通梁的截面尺寸，進一步探討閘室上部啟閉機房結構抗震加固措施的最優(yōu)方案。增選方案如下：在方案２ 的基礎上，連通梁的截面尺寸增大為２５ ｃｍ×８０ ｃｍ（寬×高）。增選方案閘室結構有限元模型見圖７。

１）位移計算結果分析。圖８ 給出了增選方案閘室上部啟閉機房結構特征點Ａ 順河向位移時程曲線。特征點Ａ 順河向位移最大值（絕對值）為６．２４ ｍｍ，出現(xiàn)在４．１０ ｓ 時刻，相較于方案２ 減小了２８．３６％。

２）應力計算結果分析。圖９ 給出了增選方案閘室上部啟閉機房結構特征點Ｂ 第一主應力時程曲線。增選方案特征點Ｂ 第一主應力在４．１０ ｓ 時刻出現(xiàn)最大值，為３．２１ ＭＰａ，相較于方案２ 降低了６３．４４％，加固效果顯著。

綜上所述，相較于方案２，增選方案進一步降低了啟閉機房結構整體動力響應，加固效果顯著。實際工程中，可通過控制截面尺寸達到理想的抗震加固效果。

４ 結論

針對開敞式閘室上部啟閉機房結構存在的抗震缺陷，制定了不同的抗震加固方案，比選了較優(yōu)加固方案，并在較優(yōu)方案基礎上，探究了截面尺寸對閘室結構加固效果的影響規(guī)律。具體結論如下：

１）在８ 度地震作用下，防洪閘閘室結構啟閉機房排架柱折角位置出現(xiàn)較大拉應力區(qū)，最大拉應力超過了結構承載能力，不滿足抗震安全需求，需要采取抗震加固措施。

２）方案２ 和方案３ 的加固措施均增大了啟閉機房一層結構剛度，顯著降低了啟閉機房結構整體動力響應，但相較于方案２，方案３ 啟閉機房結構整體動力響應降幅偏小，且增大了經(jīng)濟成本，綜合考慮推薦方案２抗震加固措施。

３）連通梁截面尺寸對啟閉機房排架柱結構抗震能力影響顯著，實際工程中，可通過控制截面尺寸達到理想的抗震加固效果。

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【責任編輯 張華巖】

基金項目：黃委優(yōu)秀青年人才科技項目（ＨＱＫ－２０２３１４）；河南省自然科學基金青年科學基金項目（２０２３００４１０５４５）；黃河水利科學研究院科技發(fā)展基金項目（黃科發(fā)２０２２０８）