泄洪閘閘頂啟閉機排架動力特性分析

撒 文 奇，　石 太 軍，　井 向 陽

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都　610072)

泄洪閘閘頂啟閉機排架動力特性分析

撒 文 奇，石 太 軍，井 向 陽

(中國電建集團成都勘測設(shè)計研究院有限公司，四川 成都610072)

摘要：采用三維有限元動力分析方法，以草街航電樞紐工程泄洪閘閘頂啟閉機排架為例，對排架結(jié)構(gòu)進行了不同地震烈度下的整體空間變形與應(yīng)力分析，得到了對應(yīng)的應(yīng)力與應(yīng)變分布規(guī)律。根據(jù)計算成果，總結(jié)出了排架結(jié)構(gòu)在地震作用下的抗震薄弱部位，并提出了抗震措施建議，可為同類工程問題提供借鑒。

關(guān)鍵詞：啟閉機排架；有限元分析；動力分析;草街航電樞紐

1概述

隨著設(shè)計和制造水平的不斷發(fā)展以及實際工程需要，啟閉機排架的設(shè)計趨勢正在向高度高、跨度大的方向不斷發(fā)展[1]。啟閉機排架作為一種鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，在靜力工況下的安全穩(wěn)定性是可以得到充分保證的。然而，地震作用是一種非可預(yù)見性自然災(zāi)害，若在啟閉機排架設(shè)計時沒有充分考慮其作用，在設(shè)計使用期內(nèi)發(fā)生地震，將會對排架結(jié)構(gòu)自身，甚至整個水利工程造成重大損失與破壞，故研究啟閉機排架結(jié)構(gòu)在地震作用下的動力特性非常必要，可進一步提高其抗震性能，減小由地震災(zāi)害帶來的損失及風(fēng)險。筆者以草街航電樞紐圍堰改建閘上部單跨排架為例，深入研究了其抗震特性，找出了結(jié)構(gòu)自身的薄弱部位，進而有針對性地提出了抗震措施建議，可為后續(xù)排架設(shè)計提供經(jīng)驗。

草街航電樞紐工程系嘉陵江干流合川至河口段自下而上渠化梯級開發(fā)的第二級，是以航運為主，兼顧發(fā)電并具有攔沙減淤、改善灌溉條件等效益的水資源綜合利用工程。樞紐建筑物從左到右由船閘、廠房、5孔沖沙閘、1孔圍堰改建閘、15孔泄洪閘和右岸擋水壩等組成，攔河建筑物頂高程為221.5m，壩頂總長度為677.37m，最大閘高46m，工程樞紐布置詳見圖1。

河床右側(cè)布置有15孔開敞式曲線型實用堰閘，堰頂高程180m，建基高程159m，混凝土底板厚13～21m，其基礎(chǔ)置于弱風(fēng)化砂質(zhì)粘土巖上，在閘室上、下游設(shè)有齒槽。閘頂高程221.5m，沿壩軸線總長度為251m。泄洪閘單孔閘室凈寬13m，閘室長40m。左側(cè)邊閘墩與圍堰改建閘共用(厚度為8m)，中墩厚度為4m，右側(cè)邊墩與右岸擋水壩段共用；采用底板分縫將閘室底板分為7個單元，每個單元寬度均為34m。每孔閘設(shè)一道平板檢修門和一道工作閘門，工作門為平板門，采用卷揚式啟閉機起閉，啟閉機平臺高程249.6m。

圖1　草街航電樞紐工程上游全景圖

2泄洪閘壩頂啟閉機排架設(shè)計

根據(jù)泄洪閘的閘室結(jié)構(gòu)設(shè)計，特別是針對中墩厚度只有4m的特點，泄洪閘壩頂啟閉機排架按照多孔聯(lián)系梁排架和單孔排架2種排架設(shè)計，其中單孔排架布置在圍堰改建閘壩頂和右岸當時壩段吊物孔部位，1#～15#泄洪閘壩頂啟閉機排架采用3孔連系梁排架結(jié)構(gòu)。其中，3孔連系梁排架：排架總高度為28.1m，總長度為52.9m和50.9m。排架沿高程方面在高程229m、236.2m和242.9m處分別設(shè)置了截面尺寸為60cm×120cm(寬×高)連系梁。排架的主梁截面尺寸為120cm×250cm(寬×高)，每孔設(shè)置了4根截面尺寸為60cm×120cm(寬×高)次梁，排架柱的截面尺寸為150cm×150cm(寬×高)。

3三維有限元計算模型

3.1計算部位

筆者以草街航電樞紐圍堰改建閘上部單跨排架為例，排架高度為28.1m，凈跨度達到15.6m，是目前水電工程排架設(shè)計中結(jié)構(gòu)尺寸較大的，具有較強的代表性。其三維模型見圖2。

圖2　三維CAD模型

3.2計算參數(shù)

混凝土結(jié)構(gòu)強度等級為C25，重度為25kN/m3，彈性模量為28GPa，動彈性模量為36.4GPa，泊松比為0.167。

為了充分研究啟閉機排架的動力特性及破壞，筆者擬定了三種不同的地震等級[2]，分 別 為 Ⅶ 度(0.981m/s2)、Ⅷ 度(1.962m/s2)、Ⅸ 度

(3.924m/s2)地震作用，順河向輸入。

3.3有限元離散模型

三維模型主要采用8節(jié)點六面體實體單元離散，頂部啟閉機荷載采用面壓力(pressure)模擬施加。為了保證計算精度，計算單元總數(shù)為99 600個，節(jié)點總數(shù)為124 508個。三維有限元離散模型見圖3。

三維有限元離散模型邊界條件為：排架柱底部全約束。

4不同地震烈度下的排架動力特性分析

4.1靜力計算成果

4.1.1位移成果分析

靜力工況下，啟閉機排架位移計算成果見表1。正值表示位移指向上游或向上，負值表示位移指向下游或向下。

圖3　三維有限元離散模型

/mm

靜力狀態(tài)下，在排架自重及頂部啟閉機荷載的共同作用下，排架結(jié)構(gòu)的順河向水平位移極值分別為+0.69mm、-0.21mm，分別發(fā)生在頂部橫河向橫梁跨中底內(nèi)側(cè)。上游側(cè)橫梁位移較大，原因是啟閉機荷載上游側(cè)數(shù)值較下游側(cè)大所致；橫河向位移極值為±0.62mm，發(fā)生在排架柱上部，分別指向兩側(cè)，左右對稱變形；鉛直向位移極值為-3.5mm，發(fā)生在排架頂部中間兩根順河向連系梁底部，主要由于啟閉機荷載壓力所致。

4.1.2應(yīng)力分析

靜力工況下，啟閉機排架應(yīng)力計算成果見表2。正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力。

表2　應(yīng)力成果匯總表(靜力)　/MPa

從應(yīng)力計算成果看，在自重及啟閉機頂部荷載共同作用下，排架結(jié)構(gòu)大部分拉應(yīng)力值為-2.72～2.24MPa，絕大部分區(qū)域處于受壓狀態(tài)，基本滿足C25混凝土強度要求。由于橫向跨度較大，拉應(yīng)力值較大部位主要集中在橫河向水平連系梁與排架柱的結(jié)合處和頂部橫梁跨中下部，極值為4.27MPa，出現(xiàn)在下數(shù)第三排長連系梁兩端與排架柱結(jié)合處且向內(nèi)部發(fā)展較淺，屬于局部應(yīng)力集中。建議在相應(yīng)部位配置受拉鋼筋，以改善其受力狀況；壓應(yīng)力均小于C25混凝土抗壓強度，極值為-6.25MPa，出現(xiàn)在排架柱與頂部橫梁結(jié)合內(nèi)側(cè)，主要是因頂部橫梁受啟閉機荷載下壓，角點處受擠壓所致。

4.2自振特性分析

為了更好地模擬啟閉機排架在地震作用下的工作情況以及地震響應(yīng)規(guī)律，通過計算排架的自振特性，分析排架整體的自振頻率和各階振型等自身動力特性。

模態(tài)提取方法采用BlockLanczos法(分塊的蘭索斯法)，求解前10階特征振型及頻率。啟閉機排架的前5階振型見圖4。表4給出了啟閉機排架的前10階自振頻率。

表4　啟閉機排架自振頻率匯總表　/Hz

(b)第二階振型圖

(c)第三階振型圖

(d)第四階振型圖

(e)第五階振型圖圖4　啟閉機排架前5階振型圖

啟閉機排架自振特性是結(jié)構(gòu)動力分析的基礎(chǔ)，通過模態(tài)分析可充分認識排架的自振頻率分布及振型特點。前5階振型描述見表5。

表5　啟閉機排架前5階振型描述表

4.3動力計算成果

4.3.1位移計算成果

動力工況下，啟閉機排架位移計算成果見表6。正值表示位移指向上游或向上，負值表示位移指向下游或向下。

表6　位移計算成果匯總表(靜動疊加)　/mm

從位移計算成果看，在地震作用下，排架結(jié)構(gòu)位移分布規(guī)律與靜力工況基本相同，極值較靜力工況明顯增大，且隨著地震等級的提高呈倍數(shù)增長規(guī)律，極值發(fā)生位置也與靜力工況下相同。其中順河向位移發(fā)展較為明顯，主要與地震作用是沿著順河向輸入有關(guān)。

4.3.2應(yīng)力計算成果

動力工況下，啟閉機排架應(yīng)力計算成果見表7。正值表示拉應(yīng)力，負值表示壓應(yīng)力。定義超拉區(qū)概念，即拉應(yīng)力超過2MPa的范圍。

表7　應(yīng)力計算成果匯總表(靜動疊加)　/MPa

由應(yīng)力成果分析可知，在地震作用下，排架結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力值及超拉區(qū)范圍較靜力工況明顯增大，且隨著地震等級的提高，結(jié)構(gòu)應(yīng)力與位移一樣呈倍數(shù)增長規(guī)律。在不同等級地震作用下，排架結(jié)構(gòu)最薄弱部位仍然在水平連系梁端部與排架柱結(jié)合處，超拉區(qū)范圍也隨著地震作用的增大而急劇加大，在Ⅸ度地震下順河向短邊連系梁兩端甚至出現(xiàn)了超拉區(qū)完全貫穿的現(xiàn)象，主要是由于排架順河向跨度較小，結(jié)構(gòu)剛度也較小，在順河向強地震作用下無法滿足抗震要求；壓應(yīng)力數(shù)值較靜力工況增大不明顯，仍在C25混凝土抗壓強度之內(nèi)。

根據(jù)應(yīng)力計算結(jié)果，說明連系梁端部的剛度無法滿足高等級地震的要求，是排架結(jié)構(gòu)設(shè)計的控制性部位，應(yīng)在設(shè)計過程中重點考慮、優(yōu)化；建議在連系梁兩端與排架柱結(jié)合部位上下均設(shè)置貼腳，以增大連系梁兩端的剛度，具體效果在后續(xù)研究成果中論述。

5結(jié)語

筆者以草街航電樞紐圍堰改建閘上部單跨排架為例，建立了三維有限元模型，利用振型分解反應(yīng)譜法，對排架結(jié)構(gòu)進行了三維有限元動力分析，得出了以下結(jié)論：

(1)在靜力工況下，由于排架結(jié)構(gòu)橫河向跨度較大，導(dǎo)致橫河向長連系梁兩端與排架柱結(jié)合處拉應(yīng)力值較大，需配置適當?shù)匿摻钜愿纳破涫芰顟B(tài)。

(2)在地震荷載作用下，排架柱與連系梁結(jié)合部位的應(yīng)力值較大，為結(jié)構(gòu)抗震的薄弱區(qū)域與控制性部位，應(yīng)予以重點考慮、優(yōu)化。在順河向地震荷載作用下，順河向短邊連系梁首先因拉應(yīng)力貫穿而破壞。

(3)針對抗震薄弱部位，建議在連系梁兩端設(shè)置貼腳以增大端部剛度，改善端部的應(yīng)力狀態(tài)。

參考文獻：

[1]趙桂連，張清瓊，唐碧華. 大型復(fù)雜啟閉機排架結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J]. 水電站設(shè)計，2014,30(2): 82-85.

[2]水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范，DL5073-2000[S].

撒文奇(1985-)，男，內(nèi)蒙古赤峰人，工程師，博士，從事水工建筑物設(shè)計工作；

石太軍(1980-)，男，甘肅莊浪人，高級工程師，工程碩士，從事水工建筑物設(shè)計工作；

井向陽(1987-)，男，河南信陽人，工程師，博士，從事水工建筑物設(shè)計工作.

(責(zé)任編輯：李燕輝)

收稿日期:2015-03-08

文章編號:1001-2184(2015)04-0101-04

文獻標識碼:B

中圖分類號:TV664;TV7;TV735;TV652

作者簡介: