趙曉紅，張 軍，喬海娟，張漢云

(1．中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310014；2.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；3.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012；4．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

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高聳獨(dú)立進(jìn)水塔動力穩(wěn)定性分析

趙曉紅1，張 軍2，3，喬海娟2，3，張漢云4

(1．中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院，浙江 杭州 310014；2.水利部農(nóng)村電氣化研究所，浙江 杭州 310012；3.水利部農(nóng)村水電工程技術(shù)研究中心，浙江 杭州 310012；4．河海大學(xué)水利水電學(xué)院，江蘇 南京 210098)

某高聳獨(dú)立進(jìn)水塔位于地震高烈度區(qū)，分析其在地震情況下的抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定對工程具有重大意義。采用有限元分析軟件ANSYS對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了三維有限元動力數(shù)值仿真分析，利用軟件的后處理功能，提取了結(jié)構(gòu)的加速度反應(yīng)；再通過在ANSYS中編制的計算程序結(jié)合其加速度反應(yīng)對結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。結(jié)果表明，該進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)在動力穩(wěn)定性方面能夠滿足工程設(shè)計要求。圖7幅，表1個。

高聳獨(dú)立進(jìn)水塔；時程分析；動力穩(wěn)定性

0 引 言

進(jìn)水塔是水利水電工程中引水發(fā)電系統(tǒng)或泄洪系統(tǒng)的控制性建筑物，其對引水、泄水系統(tǒng)甚至擋水建筑物的安全性評價意義重大。進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)四面環(huán)水，高寬比一般較大，增加了結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計難度。因此，對其進(jìn)行地震反應(yīng)研究具有重要的工程價值和現(xiàn)實意義，其抗震穩(wěn)定性分析是抗震安全性評價的重要內(nèi)容。

本文采用有限元分析軟件ANSYS構(gòu)建了進(jìn)水塔—地基體系相互作用的三維模型，并對其進(jìn)行了三維有限元動力數(shù)值仿真分析。基于動力有限元的結(jié)果，采用參數(shù)化設(shè)計語言APDL編制了整體抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性動力時程安全系數(shù)的計算程序，分析了進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)整體抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性，對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震穩(wěn)定性進(jìn)行評價，可為工程抗震安全評價和設(shè)計提供參考。

1 計算模型與參數(shù)

1.1 計算模型

某水電站泄洪排沙洞進(jìn)水塔為高聳獨(dú)立進(jìn)水塔，進(jìn)水塔三面嵌固在巖石中。進(jìn)水塔頂面高程886 m，底面高程800 m，垂直水流方向底寬和頂寬分別為19.4 m和16.4 m，順?biāo)鞣较虻讓捄晚攲挿謩e為43 m和25.81 m，正常蓄水位877 m。

采用ANSYS建立三維有限元模型，建模時考慮了結(jié)構(gòu)和地基的相互耦合作用，建立結(jié)構(gòu)—地基的三維整體分析模型。其中，基礎(chǔ)向上下游各取50 m，左右兩側(cè)各取20 m，基礎(chǔ)深度取50 m。模型采用笛卡爾坐標(biāo)系，原點取在進(jìn)水塔檢修閘門中心的底板頂面，X軸正向為垂直水流方向指向左側(cè)，Z軸正向為豎直向上，Y軸正向為順?biāo)鞣较蛑赶蛏嫌?見圖1)。

(a)整體模型 (b)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)

圖1 三維有限元網(wǎng)格

1.2 計算參數(shù)

進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)材料為C30混凝土，回填混凝土采用C15，參數(shù)取自《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50010—2010)[1]，混凝土動態(tài)彈性模量的標(biāo)準(zhǔn)值較靜態(tài)提高30%[2]，地震時的動水壓力采用附加質(zhì)量模擬，地基采用無質(zhì)量地基[3_4](見表1)。

表1 計算參數(shù)

2 動力穩(wěn)定性分析方法

高聳結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算通常有擬靜力法和時程分析這兩種方法[5]，對于重要的高聳進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)，尤其是周圍都受水壓力的進(jìn)水塔，采用擬靜力法計算可能無法滿足工程的要求。本文假定材料是各向同性線彈性的，不考慮基礎(chǔ)單元的拉應(yīng)力，在ANSYS中實現(xiàn)動力穩(wěn)定的時程分析。在時程分析結(jié)果文件里提取每個單元的位移分量，求導(dǎo)計算出每個單元的加速度分量，再進(jìn)一步計算出結(jié)構(gòu)的抗傾覆力矩和傾覆力矩、抗滑移力和滑移力，進(jìn)一步校核結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑移穩(wěn)定性。本文在進(jìn)行進(jìn)水塔穩(wěn)定性分析時做了如下假定：

圖2 塔體傾覆受力示意

2.1 時程分析

時程分析時的加速度時程曲線通過擬合規(guī)范反應(yīng)譜的人工地震波獲得，按照水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范采用的抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)反應(yīng)譜，再根據(jù)本場地校核情況下100年超越概率2%水平地震加速度代表值α=0.382 g和特征周期T=0.4 s，計算出目標(biāo)反應(yīng)譜；然后利用程序人工生成模擬出1條地震加速度時程曲線。圖3給出了α=0.382 g時的人工擬合的地震波(見圖3)。地震荷載采用上述人工擬合的地震波，每0.01 s為一荷載步，共計算1 000步。時程計算時不考慮地基的自重，地震波分別從垂直水流向、順?biāo)飨?、豎向3個方向輸入，計算在各個方向下結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。

圖3 人工擬合水平向地震波

2.2 抗傾覆穩(wěn)定性分析

抗傾覆穩(wěn)定由抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K1來衡量：

K1=MR/M0

2.3 抗滑移穩(wěn)定性分析

抗滑移穩(wěn)定由抗滑移穩(wěn)定系數(shù)K2來衡量：

K2=FR/FC

3 計算結(jié)果及分析

(1)加速度時程曲線

無論是抗傾覆穩(wěn)定還是抗滑移穩(wěn)定的計算，都需要塔體的加速度時程曲線，本文利用ANSYS軟件計算了進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)在α=0.382 g時的時程響應(yīng)，得到了進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)相應(yīng)的加速度時程曲線(見圖4)。

(2)抗傾覆穩(wěn)定性

進(jìn)水塔抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的最小值為1.08。抗傾覆力矩大于傾覆力矩，表明在整個地震波計算時程段內(nèi)，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定可以滿足要求，但兩者的數(shù)值較接近。其抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的倒數(shù)時程曲線如下所示(見圖5)，其中發(fā)生傾覆最危險的時刻是4.89 s，基本在地震峰值后的第二個峰值加速度時刻出現(xiàn)。

(3)抗滑移穩(wěn)定性

進(jìn)水塔抗滑移穩(wěn)定系數(shù)的最小值為4.35，同樣發(fā)生在4.89 s，抗滑移穩(wěn)定系數(shù)的倒數(shù)時程曲線如下所示(見圖6)。從時程曲線可以看出，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)與抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)相應(yīng)的極值點時間出現(xiàn)時刻基本一致，但是抗滑移穩(wěn)定性更加安全。

(4)塔頂水平動位移時程曲線

進(jìn)水塔動力穩(wěn)定計算時，即使抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)都較小，依然滿足不了工程設(shè)計要求，但地震波動時最大持時較短，只要位移波動是穩(wěn)定的，就能保證滿足進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性要求。垂直水流向進(jìn)水塔塔頂位移時程曲線如下所示(見圖7)，其位移波動是穩(wěn)定的，且位移極值與抗傾覆及抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)相應(yīng)的極值點時間出現(xiàn)時刻基本一致。

圖4 垂直水流向進(jìn)水塔塔頂加速度時程曲線

圖5 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)倒數(shù)時程曲線

圖6 抗滑移穩(wěn)定系數(shù)倒數(shù)時程曲線

圖7 垂直水流向進(jìn)水塔塔頂位移時程曲線

4 結(jié) 論

該進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.08，說明傾覆彎矩稍小于抗傾覆彎矩，但提離程度和轉(zhuǎn)動角度都較??；另外地震最大加速度持時較短，經(jīng)過應(yīng)力重分布塔體不會發(fā)生傾覆破壞，而且塔頂有與岸邊相連的橋梁，可以增大其穩(wěn)定性。進(jìn)水塔抗滑移穩(wěn)定系數(shù)最小值為4.35，安全余度較大，在地震作用下不會發(fā)生滑移。

除了從抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)來判別進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的整體安全性之外，從塔頂位移時程曲線還可以得出：在整個地震過程中，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的位移始終都是趨于穩(wěn)定的，不會出現(xiàn)位移偏離現(xiàn)象，所以整體結(jié)構(gòu)是安全的。此高聳進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)在抗震安全性和穩(wěn)定性方面能夠滿足工程要求，在地震作用下不會發(fā)生傾覆破壞和滑移破壞。

[1]GB 50010—2010，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范 [S].

[2]DL 5073—2000，水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

[3]程漢昆，趙寶友，馬震岳. 岸塔式進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震與穩(wěn)定性分析[J]. 水電能源科學(xué)，2011，29(11):94_96.

[4]樂成軍，任旭華，邵 勇，等. 水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計研究[J]. 水力發(fā)電，2009，35(5):86_89.

[5]JGJ 3—91，鋼筋混凝土高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工規(guī)程[S].

責(zé)任編輯 吳 昊

2016-10-13

南京水利科學(xué)研究院中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金(青年基金)項目；長江科學(xué)院開放研究基金資助項目(CKWV2015215/KY)

趙曉紅(1984-)，女，工程師，主要從事水土保持設(shè)計方面的研究工作。 E_mail：zhao_xh@ecidi.com