李 鋒

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

文章編號(hào)：1006—2610(2015)01—0085—03

塔背回填混凝土對(duì)進(jìn)水塔地震響應(yīng)的影響分析

李 鋒

(中國(guó)電建集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

塔背回填混凝土將岸塔式進(jìn)水塔和山巖連成一體，提高了進(jìn)水塔整體剛度，有效改善了塔體在地震情況下的拉應(yīng)力幅值，對(duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵。以某水電站的岸塔式進(jìn)水塔為例，針對(duì)不同高度塔背回填混凝土的塔體模型進(jìn)行三維有限元靜動(dòng)力計(jì)算，以分析回填混凝土對(duì)進(jìn)水塔地震響應(yīng)的影響。

進(jìn)水塔；回填混凝土；有限元；靜動(dòng)力分析；地震響應(yīng)

0 前 言

某電站進(jìn)水塔為岸塔式，進(jìn)水塔底板高程1 737.00 m，底板厚4 m，塔頂高程1 779.00 m，塔高46 m，塔體沿順?biāo)飨蜷L(zhǎng)15 m，塔寬10 m，塔內(nèi)設(shè)有平板檢修門1道，塔體背部通過(guò)回填混凝土與山體相連。研究發(fā)現(xiàn)，回填混凝土能夠有效改善塔體在地震情況下的拉應(yīng)力幅值，對(duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵[1]。鑒此，本文采用三維有限元法針對(duì)不同高度塔背回填混凝土的塔體模型進(jìn)行三維有限元靜動(dòng)力計(jì)算，以分析回填混凝土對(duì)進(jìn)水塔地震響應(yīng)的影響，為工程設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1 計(jì)算分析過(guò)程

1.1 計(jì)算模型

采用ANSYS建立有限元模型，混凝土和圍巖地基采用SOLID45單元來(lái)模擬，地震時(shí)塔內(nèi)外水體產(chǎn)生的動(dòng)水壓力以附加質(zhì)量的形式用質(zhì)量單元Mass21進(jìn)行模擬[2]。模型在地基深度方向、上下游側(cè)及左右側(cè)均取2倍建筑物高度(100 m)的無(wú)質(zhì)量地基，以反映地基剛度對(duì)塔體動(dòng)力特性的影響?；A(chǔ)前后、左右邊界分別按法向鏈桿約束，基礎(chǔ)底部邊界采用全約束，以模擬截?cái)噙吔绲挠绊?。圖1為進(jìn)水塔縱剖面及回填混凝土高度示意圖，4個(gè)方案回填高程分別為1 754.00、1 764.00、1 775.00和1 779.00，相應(yīng)的回填高度依次為10、20、31和35 m。圖2為不同高度回填混凝土的塔體有限元模型。計(jì)算直角坐標(biāo)系為：豎直向上為x軸正向，順?biāo)飨驗(yàn)閥軸正向，垂直水流向指向左岸為z軸正向。

1.2 材料參數(shù)

進(jìn)水塔塔體材料為C25混凝土，回填混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，塔體基礎(chǔ)在弱風(fēng)化巖體內(nèi)，為Ⅲ類巖體。材料力學(xué)參數(shù)[3]見表1。

圖1 進(jìn)水塔縱剖面及回填混凝土高度示意圖單位：高程，m；其它，mm

圖2 進(jìn)水塔三維有限元計(jì)算模型

表1 材料參數(shù)表

1.3 計(jì)算荷載

計(jì)算荷載[4-5]包括自重、靜水壓力、動(dòng)水壓力、揚(yáng)壓力、地震力，正常蓄水位1 775.00 m。

本工程為Ⅰ等大(1)型工程，進(jìn)水塔為1級(jí)建筑物，抗震設(shè)防類別為乙類，地震設(shè)防烈度為7度。根據(jù)地震安評(píng)成果50年超越概率5%相應(yīng)的基巖動(dòng)峰值加速度為195.2 gal。采用規(guī)范推薦的地震加速度反應(yīng)譜進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，反應(yīng)譜放大系數(shù)2.4，場(chǎng)地特征周期0.55，同時(shí)計(jì)入水平向和豎向地震作用，豎向峰值加速度為水平向峰值加速度的2/3。水平地震動(dòng)總反應(yīng)幅采用2個(gè)主軸方向地震作用效應(yīng)的平方和方根，再與乘以0.5遇合系數(shù)的豎向地震效應(yīng)相加，在與靜力疊加時(shí)地震作用效應(yīng)折減系數(shù)取0.35[6-7]。

1.4 計(jì)算工況

根據(jù)不同的荷載組合，計(jì)算采用以下工況對(duì)進(jìn)水塔進(jìn)行分析：

(1) 工況1，正常蓄水位(持久狀況)。自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力；

(2) 工況2，地震工況(偶然狀況)。自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力±地震。

2 有限元計(jì)算結(jié)果分析

2.1 塔體自振特性

各計(jì)算模型塔體前5階自振頻率如表2所示。

表2 進(jìn)水塔自振頻率表 /Hz

由表2可知，隨著回填高度的增加塔體自振頻率增大，說(shuō)明回填混凝土提高了進(jìn)水塔的整體剛度；滿庫(kù)情況下由于附加質(zhì)量的影響，結(jié)構(gòu)自振頻率相對(duì)空庫(kù)時(shí)變小，這與在剛度不變的情況下，質(zhì)量越大，頻率越小的規(guī)律是相符的。滿庫(kù)時(shí)，塔體基頻較空庫(kù)降幅約為30%，說(shuō)明水體附加質(zhì)量對(duì)塔體自振頻率影響很大[8]。

2.2 塔體位移反應(yīng)

各方案塔體最大位移變化趨勢(shì)如表3和圖3所示。

表3 各方案塔體最大位移表 /mm

圖3 地震工況不同回填高度下塔體位移變化曲線圖

由計(jì)算結(jié)果可見，地震工況下塔體位移幅值遠(yuǎn)大于正常工況，為控制性工況。

在正常工況時(shí)，不同回填高度下塔體位移變化較小，整個(gè)塔體在自重作用下呈現(xiàn)向庫(kù)區(qū)前傾的趨勢(shì)；地震工況時(shí)各方案位移變化幅度遠(yuǎn)大于正常工況，隨著回填混凝土高度的增加，塔體位移顯著減小，2個(gè)水平方向的位移中，Z向位移較Y向大，這是由于進(jìn)水塔沿進(jìn)水方向(Y向)寬度比垂直進(jìn)水方向(Z向)寬度大，且塔后通過(guò)回填混凝土和山體相連，導(dǎo)致Y方向整體剛度比Z向剛度大，地震時(shí)Z向變形顯著。

2.3 塔體應(yīng)力反應(yīng)

各方案塔體主應(yīng)力變化趨勢(shì)如表4和圖4、5所示，圖表中正號(hào)表示拉應(yīng)力，負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力。

表4 各方案塔體主應(yīng)力極值表 /MPa

圖4正常工況不同回填高度下塔體主應(yīng)力極值變化曲線圖

圖5地震工況不同回填高度下塔體主應(yīng)力極值變化曲線圖

從圖表中可以看出，地震工況下塔體主拉應(yīng)力遠(yuǎn)大于正常工況，為控制性工況。

對(duì)于主壓應(yīng)力，在2種工況下，隨著回填混凝土高度的增加均呈上升趨勢(shì)，但是變化幅度較??；對(duì)于主拉應(yīng)力，在正常工況下，隨著回填混凝土高度的增加呈上升趨勢(shì)，地震工況下，則隨著回填混凝土高度的增加呈下降趨勢(shì)，而且地震工況下拉應(yīng)力幅值及其變化幅度遠(yuǎn)大于正常工況，說(shuō)明回填混凝土能夠有效降低塔體地震情況下的拉應(yīng)力值，對(duì)于塔體抗震設(shè)計(jì)非常重要。

3 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)對(duì)不同高度塔背回填混凝土的進(jìn)水塔三維有限元靜動(dòng)力分析可知，回填混凝土能夠顯著降低塔體在地震情況下的位移與拉應(yīng)力幅值，對(duì)于塔體抗震設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，但是回填高度太高不僅增加工程成本而且會(huì)增加塔體約束，導(dǎo)致在正常運(yùn)行期塔體拉應(yīng)力值較大。因此在設(shè)計(jì)中需要通過(guò)綜合比較擬定合適的回填高度，既能使塔體在地震情況下位移及應(yīng)力值在可接受范圍內(nèi)，又不至于在正常運(yùn)行期出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，同時(shí)也能降低工程成本。

[1] 梁德娣.水電站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)體型的抗震動(dòng)力特性研究[D].西安:西安理工大學(xué)碩士學(xué)位論文,2012,3.

[2] 祖威.黃金坪右岸小廠房進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)靜動(dòng)力分析[J].水電站設(shè)計(jì),2014,(2):63-66.

[3] DL/T 5057-2009,水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社,2009.

[4] DL /T5398-2007,水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社,2008.

[5] DL 5077-1997,水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社,1998.

[6] DL 5073-2000,水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)電力出版社,2000.

[7] 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,(11):94-96.

[8] 王銘明,陳健云,徐強(qiáng).重力壩-庫(kù)水-地基相互作用分析方法比較研究[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào),2013,(5):715-722.

Analysis of Impacts on Earthquake Response of Intake Tower by Backfill Concrete on Tower Back

LI Feng

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

The backfill concrete on the tower back integrates the intake tower and the mountain rockmass, increasing the overall rigidity of the intake tower and effectively improving the tensile stress range value of the tower body in earthquake condition. This is very important for the aseismic design of the intake tower structure. With the case of the intake tower of one hydropower station, the static and dynamic calculations in 3D finite element method are performed to the tower models with the backfill concrete on the tower back at different heights so as to analyze the impacts on the earthquake response of the intake tower by the backfill concrete on the tower back.

intake power; backfill concrete; finite element; static and dynamic analysis; earthquake response

2014-07-23

李鋒(1986- )，男，陜西省神木縣人，助理工程師，主要從事水工結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作.

TV223.7；TU352.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.022