郝軍剛, 胡　蕾, 伍鶴皋, 傅　丹

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，武漢　430072； 2. 長江科學(xué)院，武漢　430010)

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罕遇地震作用下水電站廠房上部結(jié)構(gòu)破壞模式研究

郝軍剛1, 胡蕾2, 伍鶴皋1, 傅丹1

(1. 武漢大學(xué) 水資源與水電工程科學(xué)國家重點(diǎn)實驗室，武漢430072； 2. 長江科學(xué)院，武漢430010)

摘要：為揭示水電站廠房結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的破壞模式與抗震安全儲備，基于ABAQUS平臺，采用混凝土損傷塑性模型描述廠房混凝土，并通過子程序編程實現(xiàn)黏彈性人工邊界以模擬無限地基，將人工波加速度峰值調(diào)整為罕遇地震對應(yīng)的0.331g，針對某水電站廠房結(jié)構(gòu)開展了動力非線性時程分析。結(jié)果表明，罕遇地震作用下廠房結(jié)構(gòu)的破壞模式具體表現(xiàn)為下游立柱嚴(yán)重開裂、上游立柱開裂、上游墻底部開裂以及下游立柱出現(xiàn)輕微壓損傷，混凝土損傷狀態(tài)、鋼筋應(yīng)力、層間位移角均表明廠房結(jié)構(gòu)自身具有較高的抗震安全儲備，整體破壞程度在“可修”的水平。但上下游墻在順河向的不協(xié)調(diào)運(yùn)動會導(dǎo)致屋頂網(wǎng)架動應(yīng)力非常突出，網(wǎng)架存在垮塌的風(fēng)險，水電站廠房的抗震設(shè)計中應(yīng)該充分重視屋頂網(wǎng)架與上下游墻的連接方式。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu)；水電站廠房；罕遇地震；破壞模式；混凝土損傷塑性模型；屋頂網(wǎng)架

水電站廠房作為發(fā)電核心建筑物，其重要性不言而喻。地震作為一種偶然發(fā)生的自然災(zāi)害，對水電站廠房結(jié)構(gòu)的破壞作用極大，尤其對于廠房上部高聳的墻體和立柱等薄弱結(jié)構(gòu)，高烈度地區(qū)地震工況往往成為設(shè)計的控制工況。過去國內(nèi)學(xué)者對水電站廠房抗震課題做過相關(guān)研究，馬震岳等[1]采用反應(yīng)譜法對小灣地下廠房結(jié)構(gòu)進(jìn)行了抗震分析，結(jié)果表明地震對地下廠房結(jié)構(gòu)的危害較小。張輝東等[2]采用時程分析方法研究了蝸殼外圍混凝土在地震作用下的損傷演化及流道金屬結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)，但未研究抗震更為薄弱的廠房上部結(jié)構(gòu)的損傷破壞程度。王海軍等[3]基于ANSYS平臺，開展了廠房結(jié)構(gòu)整體非線性動力時程分析，為研究廠房結(jié)構(gòu)的損傷發(fā)展提供了一條新思路。但研究所輸入的地震波對應(yīng)于設(shè)防地震，未研究廠房結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的破壞模式，且研究成果未對鋼筋受力這一關(guān)鍵指標(biāo)進(jìn)行評價?？梢钥吹剑m然目前關(guān)于廠房的抗震研究取得了一定的成果，但關(guān)于罕遇地震作用下廠房結(jié)構(gòu)破壞模式及抗倒塌性能的研究并沒有開展起來，業(yè)界對于當(dāng)前設(shè)計理念和方法所持有的安全儲備沒有深入的認(rèn)識，這與我國西南地區(qū)水電蓬勃發(fā)展而地震烈度高的客觀事實不相匹配。

基于目前廠房抗震研究現(xiàn)狀，本文基于ABAQUS程序?qū)恿Ψ蔷€性數(shù)值分析手段應(yīng)用于廠房結(jié)構(gòu)的抗震分析中，研究水電站廠房結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下的損傷演化規(guī)律及破壞模式，重點(diǎn)從混凝土損傷、鋼筋應(yīng)力、層間位移、網(wǎng)架受力四個方面評價罕遇地震作用下廠房結(jié)構(gòu)的抗震性能，為基于性能的抗震設(shè)計方法在水電站廠房中的應(yīng)用和推廣奠定基礎(chǔ)。

1三維動力模型與地震波

西南地區(qū)某水電站壩后式廠房高64 m，機(jī)組段長度26.5 m，水流向?qū)挾?2 m，見圖1所示。以一個中間標(biāo)準(zhǔn)機(jī)組段為研究對象，建立廠房和地基整體有限元模型，地基深度取為200 m，上下游方向分別延伸225 m，橫河向分別延伸200 m，見圖2所示。根據(jù)動力計算對網(wǎng)格尺寸的要求，地基最大網(wǎng)格尺寸取為地震波最小波長的1/10，地震波按截斷頻率20 Hz進(jìn)行低通濾波，結(jié)合地基材料參數(shù)確定最大網(wǎng)格尺寸為5.5 m。蝸殼、座環(huán)、尾水管和機(jī)井里襯采用完全積分4結(jié)點(diǎn)殼單元(S4)模擬，廠房混凝土、地基采用完全積分8結(jié)點(diǎn)6面體單元(C3D8)模擬，水輪發(fā)電機(jī)組重量、吊車重量、屋面板重量以及流道內(nèi)水體考慮為附加質(zhì)量單元(MASS)添加至相應(yīng)位置，采用三維桿單元(T3D2)真實模擬出屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)，網(wǎng)架與上下游墻體的連接方式為鉸接。廠房左右兩側(cè)邊界設(shè)置為自由邊界，不考慮相鄰機(jī)組段之間的相互作用。

圖1 廠房有限元模型圖2 地基有限元模型圖3 廠房特征點(diǎn)示意圖Fig.1FEMmodelofpowerhouseFig.2FEMmodeloffoundationFig.3Typicallocationsofpowerhouse

水電站廠房屬于典型的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地震過程中混凝土可能發(fā)生開裂和壓碎，非線性時程分析必須考慮鋼筋的承載作用。廠房抗震分析的關(guān)注重點(diǎn)為發(fā)電機(jī)層以上結(jié)構(gòu)，因此本文模型僅考慮了上下游墻、牛腿、立柱、發(fā)電機(jī)層樓板以及副廠房樓板的配筋，鋼筋的具體布置來源于實際工程，采用*EMBEDED方式將鋼筋單元(T3D2)嵌入混凝土單元中，程序自動耦合二者的自由度。下部蝸殼、尾水管等大體積混凝土結(jié)構(gòu)未進(jìn)行配筋，混凝土材料按線彈性考慮，以往的研究表明這樣假定對上部結(jié)構(gòu)的動力特性沒有本質(zhì)影響[4]。鋼筋的具體布置見表1所示。

由表1可知，上下游墻共布置兩層鋼筋，內(nèi)側(cè)和外側(cè)各布置一層；立柱截面尺寸為2.0 m×1.2 m，長邊豎向鋼筋的間距為250 mm，共9根鋼筋，短邊豎向鋼筋間距為120 mm，加上端部兩根共11根鋼筋；發(fā)電機(jī)層樓板和副廠房樓板上、下表面各布置一層鋼筋；牛腿沿截面邊界布置一層鋼筋。

表1　廠房上部結(jié)構(gòu)鋼筋布置

該電站場地地震基本烈度為Ⅷ度，壩址區(qū)50年超越概率63%、10%、2%的基巖水平地震動峰值加速度分別為0.059 g(多遇地震)、0.176 g(設(shè)防地震)和0.331 g(罕遇地震)。本文的研究輸入50年超越概率2%的罕遇地震動，人工波根據(jù)文獻(xiàn)[5]規(guī)定的反應(yīng)譜曲線反演合成，將其峰值調(diào)整為0.331g，順河向加速度時程曲線見圖4所示，豎向地震加速度按順河向的2/3進(jìn)行折減。

圖4　地震波加速度時程Fig.4 Earthquake acceleration time history

2材料本構(gòu)模型

采用ABAQUS程序中的混凝土損傷塑性模型(CDP模型)模擬混凝土材料的力學(xué)性能，該模型是基于Lubliner等在1989年和Lee等在1998年建議的模型建立的，在低圍壓條件下能夠較好的模擬混凝土單調(diào)受拉和受壓力學(xué)行為，還能夠合理描述循環(huán)反復(fù)加載條件下混凝土的剛度轉(zhuǎn)換和聯(lián)合損傷行為[6-7]，下面將對該模型關(guān)鍵參數(shù)的取值進(jìn)行闡述。

在混凝土動態(tài)彈性模量方面，文獻(xiàn)[5]指出除水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)外的混凝土水工建筑物的抗震強(qiáng)度計算中，混凝土動態(tài)彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值可較其靜態(tài)標(biāo)準(zhǔn)值提高30%，但這一條文針對的對象為非水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，即主要針對壩體混凝土，嚴(yán)格來說并不適用于水電站廠房結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[8]指出該條文實際說明的是混凝土瞬時彈性模量在持續(xù)彈性模量的基礎(chǔ)上可以提高30%，并非動態(tài)彈性模量相對靜態(tài)彈性模量的提高比例，同時文獻(xiàn)[8]還指出應(yīng)變率對混凝土彈性模量的影響遠(yuǎn)不如強(qiáng)度顯著，甚至可以忽略不計?？紤]到目前關(guān)于混凝土動態(tài)彈性模量的認(rèn)識尚未統(tǒng)一，本文不考慮混凝土彈性模量的應(yīng)變率效應(yīng)，將混凝土動態(tài)彈性模量取為28天齡期對應(yīng)的靜態(tài)瞬時彈性模量，具體參考文獻(xiàn)[9]取值如下：C25混凝土(廠房)容重25 kN/m3，動態(tài)彈性模量28 000 MPa，泊松比0.167。

在混凝土動態(tài)強(qiáng)度方面，文獻(xiàn)[5]作了和彈性模量類似的說明，但針對的對象同樣不包括水電站廠房結(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[9]指出在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的抗倒塌分析中材料強(qiáng)度可取為標(biāo)準(zhǔn)值或?qū)崪y值，由于缺乏實測資料，本文將C25混凝土的動態(tài)強(qiáng)度取為文獻(xiàn)[9]中的靜態(tài)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值，這樣處理對于結(jié)構(gòu)抗震分析是偏安全的?；炷羻屋S受拉、受壓應(yīng)力應(yīng)變曲線及損傷曲線分別見圖5和圖6所示，為表示方便應(yīng)力應(yīng)變均為正值[9]。

鋼筋類型為熱軋HRB400，鋼材容重78.5 kN/m3，動態(tài)彈性模量200 000 MPa，泊松比0.3，標(biāo)準(zhǔn)抗拉和抗壓強(qiáng)度為400 MPa，極限強(qiáng)度為540 MPa[9]。采用雙線性隨動強(qiáng)化模型描述鋼筋，從鋼筋屈服點(diǎn)到極限強(qiáng)度點(diǎn)之間所連直線的斜率即為等效強(qiáng)化模量。熱軋HRB400鋼筋極限抗拉強(qiáng)度對應(yīng)的應(yīng)變參考規(guī)范的建議取為屈服應(yīng)變的25倍，最終的等效強(qiáng)化模量為2 917 MPa，約為初始彈性模量的1/70。

廠房中蝸殼、座環(huán)、尾水管里襯等鋼材按線彈性考慮，容重78.5 kN/m3，動態(tài)彈性模量206 000 MPa，泊松比0.3；地基容重26 kN/m3，彈性模量8 000 MPa，泊松比0.25。

圖5　混凝土單軸受拉及損傷曲線Fig.5 Uniaxial tension and damage curve

圖6　混凝土單軸受壓及損傷曲線Fig.6 Uniaxial compression and damage curve

3地基輻射阻尼的影響

結(jié)構(gòu)與地基在本質(zhì)上為一開放系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)靜力分析和動力分析均涉及無限地基如何模擬的問題。對尺寸和質(zhì)量都很大的大壩，眾多學(xué)者的研究表明無限地基輻射阻尼成為結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的重要影響因素[10-11]。關(guān)于無限地基輻射阻尼在水電站廠房結(jié)構(gòu)抗震分析中的影響程度，目前沒有公開發(fā)表的文獻(xiàn)進(jìn)行明確闡述。罕遇地震作用下廠房上部結(jié)構(gòu)將不可避免的出現(xiàn)開裂和壓損傷，地基輻射阻尼對最終的非線性計算結(jié)果存在潛在影響，甚至可能導(dǎo)致?lián)p傷程度和鋼筋應(yīng)力出現(xiàn)本質(zhì)的變化，必須在罕遇地震計算之前明確該因素的影響程度。為此，本文采用當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的集中黏彈性人工邊界實現(xiàn)無限地基的模擬，在ABAQUS程序中等效為在地基邊界上設(shè)置一系列并聯(lián)的接地彈簧單元(Spring1)和接地阻尼器單元(Dashpot1)，彈性參數(shù)和阻尼參數(shù)根據(jù)文獻(xiàn)[12]中三維問題的推薦值進(jìn)行設(shè)置。在黏彈性人工邊界的基礎(chǔ)上，杜修力等人提出了一種基于應(yīng)力等效荷載的外源波動輸入方式，并給出了地震波垂直底面入射時等效結(jié)點(diǎn)荷載的具體表達(dá)式[13]。本文在前人研究的基礎(chǔ)上，在ABAQUS程序中利用法向荷載和切向荷載子程序DLOAD、UTRACLOAD編程實現(xiàn)地震波的輸入。

為明確地基輻射阻尼對廠房地震響應(yīng)的影響程度，本文直接對比水工抗震分析中常用的無質(zhì)量地基和基于黏彈性人工邊界的無限地基的差異性。動力模型如前文所述，為減小計算規(guī)模，所有材料均按線彈性考慮，且僅輸入順河向的罕遇地震，時間積分步長0.01 s。無質(zhì)量地基時在截斷邊界處施加固定約束，采用等效慣性力的方式輸入地震波，無限地基時在截斷邊界處添加黏彈性人工邊界，地基有質(zhì)量，散射波由人工邊界吸收。圖7和圖8分別為兩種地基模型下廠房上部結(jié)構(gòu)特征點(diǎn)的豎向拉、壓應(yīng)力峰值，特征點(diǎn)的具體位置見圖3所示。由圖可知，罕遇地震作用下，廠房上部結(jié)構(gòu)的動應(yīng)力非常突出，其中下游立柱底部的動應(yīng)力明顯大于其他區(qū)域，無質(zhì)量地基模型下拉應(yīng)力峰值達(dá)到32.73 MPa，無限地基模型下減小至16.84 MPa，減幅達(dá)到49%；考慮地基輻射阻尼之后，下游立柱豎向壓應(yīng)力峰值減小41%，上游立柱底部拉、壓應(yīng)力峰值分別減小25%和47%?？梢姷鼗椛渥枘釋S房上部結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)存在顯著的影響，不考慮該因素會對非線性時程分析的結(jié)果帶來本質(zhì)的差異，因此后續(xù)開展罕遇地震作用下廠房結(jié)構(gòu)的非線性時程分析時均采用無限地基模型。

圖7　特征點(diǎn)豎向拉應(yīng)力峰值Fig.7 Peak values of vertical tensile stress

圖8　特征點(diǎn)豎向壓應(yīng)力峰值Fig.8 Peak values of vertical compressive stress

4混凝土損傷發(fā)展

在地震動力分析之前，先施加重力，形成初始應(yīng)力狀態(tài)；第二步同時輸入三個方向的地震波，采用Hiber、Hughes和Taylor時間積分法(H.H.T方法)進(jìn)行動力時程計算，初始時間增量和最大時間增量設(shè)置為0.01 s。圖9和圖10分別為廠房上部結(jié)構(gòu)拉、壓損傷的演化過程。

罕遇地震作用下，2.0 s時廠房結(jié)構(gòu)下游立柱底部、上游立柱底部內(nèi)側(cè)、上游墻底部出現(xiàn)明顯的拉損傷，下游立柱將出現(xiàn)貫穿性的水平裂縫，上游墻底部可能出現(xiàn)沿廠房縱軸向的長裂縫；4.2 s為地震峰值加速度出現(xiàn)的時刻，此時下游立柱底部一半高程范圍內(nèi)的拉損傷幾乎全部貫通，且拉損傷延伸至牛腿范圍，立柱混凝土的剩余抗拉強(qiáng)度不到0.2 MPa，混凝土材料不再是承受地震作用的主體。4.2 s時上游立柱底部外側(cè)沒有出現(xiàn)拉損傷，但內(nèi)側(cè)損傷的深度已經(jīng)超過立柱截面高度的一半，內(nèi)外側(cè)損傷程度差異較大的原因在于重力作用下上下游立柱向外彎曲，動力計算開始之前立柱底部內(nèi)側(cè)受拉、外側(cè)受壓；4.2 s~10 s雖然地震作用時間較長，但結(jié)構(gòu)的損傷狀態(tài)幾乎沒有進(jìn)一步擴(kuò)展，原因在于地震為循環(huán)反復(fù)荷載，峰值加速度之前的若干秒混凝土發(fā)生開裂，鋼筋開始承載，結(jié)構(gòu)通過調(diào)整達(dá)到一種新的承載狀態(tài)，如果結(jié)構(gòu)后續(xù)承受的地震慣性力沒有更高的峰值出現(xiàn)，損傷便難以繼續(xù)擴(kuò)展。綜合來看，罕遇地震時廠房開裂最嚴(yán)重的區(qū)域為下游立柱，其次為上游立柱，最后為上游墻體底部。這些區(qū)域的混凝土抗拉強(qiáng)度嚴(yán)重喪失，合理配置抗拉鋼筋以防止結(jié)構(gòu)倒塌是必不可少的。

由圖10可知，廠房結(jié)構(gòu)最先出現(xiàn)壓損傷的區(qū)域為下游立柱底部外側(cè)，原因在于重力作用下立柱外側(cè)存在-3.0 MPa左右的初始預(yù)壓，但2.0 s時該區(qū)域的最大壓損傷系數(shù)僅為0.13；4.2 s時立柱底部壓損傷范圍相對2.0 s時有所擴(kuò)展，但范圍仍然非常有限，且最大壓損傷系數(shù)僅為0.21；4.2 s~10 s廠房壓損傷沒有繼續(xù)擴(kuò)展，地震作用結(jié)束后，下游立柱壓損傷深度約等于立柱截面高度的一半，但最大壓損傷系數(shù)僅為0.22，混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗壓強(qiáng)度對應(yīng)的損傷系數(shù)為0.27，說明罕遇地震作用下混凝土的壓應(yīng)力峰值處于屈服點(diǎn)和峰值點(diǎn)之間，未進(jìn)入受壓軟化段，這也說明即便是罕遇地震作用下，廠房上部結(jié)構(gòu)的豎向承載力都是有保證的。

5鋼筋應(yīng)力

由廠房結(jié)構(gòu)拉損傷的演化過程可知，罕遇地震作用下廠房上部結(jié)構(gòu)將出現(xiàn)較為嚴(yán)重的開裂。混凝土開裂之后鋼筋成為承載的主體， 表2為罕遇地震作用下廠房典型位置的鋼筋Mises應(yīng)力峰值。由表可知，鋼筋應(yīng)力最大值達(dá)到290.13 MPa，出現(xiàn)在下游立柱底部，其次為上游立柱底部和副廠房樓板內(nèi)的鋼筋應(yīng)力較大，數(shù)值在140 MPa左右。理論上罕遇地震作用下鋼筋是允許進(jìn)入塑性階段的，只要將鋼筋的塑性應(yīng)變控制在一定的范圍即可，以屈服強(qiáng)度作為罕遇地震下的抗震目標(biāo)顯得比較保守，極限強(qiáng)度相對合理一些。計算結(jié)果表明各典型位置鋼筋應(yīng)力均沒有超過屈服強(qiáng)度400 MPa，鋼筋尚且在線彈性范圍內(nèi)工作，與極限強(qiáng)度540 MPa距離更遠(yuǎn)，因此從鋼筋受力的角度出發(fā)廠房上部結(jié)構(gòu)具有較高的抗震安全儲備。

圖9　罕遇地震作用下廠房結(jié)構(gòu)拉損傷演化過程Fig.9 Tensile damage development of superstructure in rare earthquake action

圖10　罕遇地震作用下廠房結(jié)構(gòu)壓損傷演化過程Fig.10 Compressive damage development of superstructure in rare earthquake action

綜合廠房損傷狀態(tài)可知，雖然廠房上部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)了較為嚴(yán)重的拉損傷，但結(jié)構(gòu)壓損傷較輕微，鋼筋應(yīng)力與屈服點(diǎn)尚且有一定距離，因此總體上結(jié)構(gòu)不存在倒塌的風(fēng)險。但下游立柱嚴(yán)重開裂，且裂縫貫穿整個截面給工程人員帶來顧慮。實際上，大震作用下高聳且薄弱的立柱出現(xiàn)開裂是難以避免的，作者認(rèn)為沒有必要繼續(xù)增加配筋量，根據(jù)震后情況采取加固措施更為合理。

圖11為罕遇地震時下游立柱底部混凝土損傷發(fā)展過程和鋼筋應(yīng)力變化過程。由虛線可知，混凝土拉損傷呈現(xiàn)階躍式增大，1~5 s之間共發(fā)生了六次損傷階躍，六次階躍之后損傷系數(shù)已經(jīng)接近1.0。觀察鋼筋應(yīng)力變化曲線可以看出，混凝土損傷每次突變的時刻也恰好為鋼筋應(yīng)力幅值增大的時刻，說明地震中混凝土逐漸退出承載，鋼筋逐漸參與承載。當(dāng)混凝土拉損傷系數(shù)不再增大，鋼筋應(yīng)力相應(yīng)不再出現(xiàn)新的峰值，符合鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的基本受力特征。鋼筋應(yīng)力最大值290.13 MPa出現(xiàn)的時刻在4.2 s左右，正好為地震峰值加速度出現(xiàn)的時刻。值得注意的是，雖然地震加速度峰值(結(jié)構(gòu)承受的地震慣性力)在這一刻達(dá)到最大，但結(jié)構(gòu)的損傷并非在這一刻增大最顯著。從圖上可以看到，損傷是一個累計的過程，峰值加速度之前的時間段對于結(jié)構(gòu)的破壞是非常重要的一個階段。

表2　廠房特征位置鋼筋Mises應(yīng)力最大值(單位：MPa)

圖11　下游立柱底部損傷發(fā)展與鋼筋應(yīng)力Fig.11 Tensile damage development and reinforcement stress at the bottom of downstream column

6層間位移

混凝土損傷和鋼筋應(yīng)力是從承載力的角度進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗震性能評價，在結(jié)構(gòu)變形方面，文獻(xiàn)[14]采用層間位移角這一指標(biāo)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行抗震變形驗算，且分別給出了多種結(jié)構(gòu)的彈性層間位移角θe和彈塑性層間位移角θp限值?！督ㄖ卣鹌茐牡燃墑澐謽?biāo)準(zhǔn)》將地震破壞分為五個等級，并對地震破壞程度和繼續(xù)使用的可能性進(jìn)行了描述，文獻(xiàn)[14]給出了五個破壞等級對應(yīng)的變形參考值，據(jù)此表3列出了水電站廠房立柱和墻體結(jié)構(gòu)的變形參考值。本文不對罕遇地震作用下廠房上部結(jié)構(gòu)的變形標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行具體探討，僅采用層間位移角這一指標(biāo)對廠房的破壞程度進(jìn)行評價。圖12給出了地震作用過程中廠房上下游立柱、墻體的最大層間位移角。

由圖可知，下游立柱最大層間位移角大于上游立柱，這與下游立柱的拉損傷程度相對嚴(yán)重是相符的。參考表3可知，上、下游立柱的破壞程度在等級2的水平，即震后經(jīng)過稍微的修復(fù)甚至無需修復(fù)即可投入正常使用，這與前文所述立柱鋼筋應(yīng)力距離屈服點(diǎn)較遠(yuǎn)是相符的。與立柱相比，上下游墻體的破壞程度更加輕微，上游墻處于基本完好的水平，下游墻體與副廠房相連，其順河向剛度較大，因此地震中層間變形甚小。從變形的角度出發(fā)再次說明，廠房上部結(jié)構(gòu)在罕遇地震作用下具有較高的抗震安全儲備。

圖12　上下游墻最大層間位移角Fig.12 Maximum story drift angles of upstream and downstream walls

等級等級1等級2等級3等級4等級5破壞程度基本完好輕微損壞中等破壞嚴(yán)重破壞倒塌震后情況不用修復(fù)不用或稍微修復(fù)一般修理大修、局部拆除拆除層間位移角<θeθe(1.5~2)θe(3~4)θeθe<0.9θp>θp廠房立柱<1/5501/367~1/2251/183~1/137<1/56>1/50廠房墻體<1/10001/667~1/5001/333~1/250<1/111>1/100

7網(wǎng)架受力狀態(tài)

圖13為罕遇地震作用下廠房屋頂網(wǎng)架Mises應(yīng)力最大值。由于網(wǎng)架所用鋼材的類型未知，因此網(wǎng)架是按線彈性材料考慮的。圖上顯示網(wǎng)架跨中三根下弦桿的應(yīng)力最為突出，最大達(dá)到436 MPa，向兩端方向下弦桿的應(yīng)力逐漸減??；上弦桿的應(yīng)力同樣是在跨中區(qū)域應(yīng)力最大，達(dá)到225 MPa；腹桿的應(yīng)力分布規(guī)律則有所不同，跨中區(qū)域的應(yīng)力相對較小，靠近端部的若干根桿件的應(yīng)力較大，最大為183 MPa。由數(shù)據(jù)可知，罕遇地震作用下跨中的三根下弦桿完全有可能進(jìn)入塑性階段，如果采用Q235型號的鋼材，下弦桿甚至有可能拉斷，從而導(dǎo)致屋頂垮塌。

前文的分析表明廠房立柱和墻體在罕遇地震時仍然具有良好的抗震表現(xiàn)，但即便如此，一旦地震中屋頂網(wǎng)架結(jié)構(gòu)垮塌，勢必對廠房的正常運(yùn)行和人員生命安全帶來極為惡劣的后果，而目前廠房土建方對網(wǎng)架的抗震設(shè)計關(guān)注度不高。實際上，除了順河向跨度動輒在20 m以上外，水電站廠房屋頂網(wǎng)架的地震動力響應(yīng)還具有自己獨(dú)特之處。以本文所研究的對象為例，布置特點(diǎn)為網(wǎng)架與上下游墻鉸接且下游墻與副廠房樓板完全連接，因此地震過程中上、下游墻體的順河向運(yùn)動趨勢必然不同，不協(xié)調(diào)的相對運(yùn)動所引起的變形將由網(wǎng)架完全吸收，加上網(wǎng)架支撐點(diǎn)高、動力響應(yīng)大，綜合起來導(dǎo)致其動應(yīng)力突出。通過分別輸入順河向和豎向的地震波發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)架80%左右的動應(yīng)力由順河向地震引起，這部分動應(yīng)力的大小顯然和網(wǎng)架、上下游墻體、副廠房之間的相互連接方式有關(guān)。除了鉸接外，目前網(wǎng)架與上下游墻還存在多種連接方式，如橡膠支座、限位滑動支座等，在水電站廠房的抗震設(shè)計中應(yīng)該充分重視網(wǎng)架的抗震安全。

圖13　網(wǎng)架最大Mises應(yīng)力(MPa)Fig.13 Peak values of roof net’s Mises stress

8結(jié)論

(1)罕遇地震作用下廠房結(jié)構(gòu)的破壞模式主要表現(xiàn)為下游立柱嚴(yán)重開裂、上游立柱、上游墻與發(fā)電機(jī)層樓板連接處輕微開裂，其他區(qū)域沒有明顯的開裂趨勢；壓損傷僅出現(xiàn)在下游立柱底部外側(cè)，且損傷程度輕微，對廠房的豎向承載力基本沒有影響。

(2)廠房下游立柱所配置的豎向鋼筋應(yīng)力最為突出，但罕遇地震作用下鋼筋最大應(yīng)力沒有超過其屈服強(qiáng)度，與極限強(qiáng)度距離更遠(yuǎn)，說明廠房上部結(jié)構(gòu)具有較高的抗震安全儲備。

(3)從層間位移角進(jìn)行評價，廠房立柱的破壞程度處于稍加修復(fù)即可投入正常使用的水平；上游墻基本完好，下游墻順河向剛度較大，層間位移角甚小。

(4)廠房屋頂網(wǎng)架的抗震性能相對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)要差得多，罕遇地震作用下存在垮塌的風(fēng)險。理論分析和計算表明，網(wǎng)架結(jié)構(gòu)80%以上的動應(yīng)力由上、下游墻的非協(xié)調(diào)運(yùn)動引起。網(wǎng)架的動應(yīng)力水平與其自身的支座型式、下游墻與副廠房的連接方式直接相關(guān)，廠房抗震設(shè)計中應(yīng)該充分重視網(wǎng)架的設(shè)計。

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Failure modes of hydropower house superstructure under rare earthquake action

HAOJun-gang1,HULei2,WUHe-gao1,FUDan1

(1. State Key Laboratory of Water Resources and Hydropower Engineering Science, Wuhan University, Wuhan 430072, China;2. Changjiang River Scientific Research Institute, Wuhan 430010, China)

Abstract:To reveal the failure modes and seismic safety margin of hydropower house under rare earthquake action, a concrete damage plastic (CDP) model was used to describe the concrete material and a viscous-elastic artificial boundary was adopted to simulate the infinite foundation. The peak acceleration of the artificial seismic wave is 0.331g corresponding to the rare earthquake action. The dynamic nonlinear time-history analysis was carried out aiming at a practical hydropower house structure. The results show that, the failure modes of hydropower house under rare earthquake action are severe cracks in downstream columns, slight cracks in upstream columns, cracks in upstream wall and compressive damage in downstream columns. The concrete damage status, reinforcement stress and story drift angle indicate that the powerhouse has high safety capacity and the overall destruction is at the level of “repairable”. However, because of upstream and downstream walls’ inconsistent motion, the dynamic stress in roof net is very high and there exists risk of collapse. So the connection mode between roof net and upstream and downstream walls should be paid more attention in aseismic design of hydropower house.

Key words:hydraulic structure; hydropower house; rare earthquake; failure mode; concrete plastic model; roof net

中圖分類號:TV31

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

DOI:10.13465/j.cnki.jvs.2016.03.009

通信作者伍鶴皋 男，博士，教授，1964年生

收稿日期：2015-06-17修改稿收到日期：2015-08-24

基金項目：國家自然科學(xué)基金資助項目(51179141)

第一作者 郝軍剛 男，博士生，1972年生