基于仿真計(jì)算下墩系梁增設(shè)切角對(duì)泵站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震特性影響分析研究

周松松，葉柏陽(yáng)，孫益松

( 1.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，江蘇 淮安 223005； 2.江蘇淮源工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，江蘇 淮安 223005 )

1 概 述

水工建筑結(jié)構(gòu)的建設(shè)為水資源開(kāi)發(fā)利用提供了重要堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，確保水利工程建設(shè)安全穩(wěn)定性是許多水利工程持續(xù)致力于研究的重要課題。水利工程中不僅需要考慮靜力荷載下安全穩(wěn)定性，對(duì)動(dòng)力抗震特性也必須重視關(guān)注，因而探討研究水工結(jié)構(gòu)動(dòng)力抗震特性影響因素具有重要意義[1-3]。已有許多國(guó)內(nèi)外學(xué)者基于室內(nèi)動(dòng)力振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)，探討了水利工程結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下破壞特性，為工程實(shí)際設(shè)計(jì)提供了重要參考[4-6]。由于水工結(jié)構(gòu)面臨流體介質(zhì)的特殊性，許多學(xué)者引入模態(tài)分析或擬靜力手段，以數(shù)值仿真手段研究流固耦合或多場(chǎng)耦合下水利工程結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)特性，為實(shí)際工程探討動(dòng)力抗震安全穩(wěn)定性提供重要參考[7-8]。本文針對(duì)抽水泵站進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)，利用有限元軟件研究計(jì)算切角設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)影響特性[9-10]，為實(shí)際工程設(shè)計(jì)提供仿真參考。

2 工程概況與研究模型

2.1 工程介紹

某抽水泵站群位于安徽西北部，承擔(dān)區(qū)域內(nèi)灌區(qū)農(nóng)業(yè)用水以及農(nóng)村生活用水，調(diào)節(jié)豐枯水季水資源供應(yīng)量，總農(nóng)業(yè)面積超過(guò)150×104m2，枯水季可提升農(nóng)業(yè)灌溉效率25%，且生活用水量缺水率可降低13%，是地區(qū)水資源供給重要水工設(shè)施。泵群中第三梯隊(duì)的甲抽水泵站為本文研究對(duì)象，其頂部高程為285 m，建有蓄水池，尺寸為7.2×4.6 m，灌區(qū)內(nèi)輸水干渠與該蓄水池出水孔相連，渠首流量設(shè)計(jì)為0.65 m3/s，干渠總長(zhǎng)度約為125 km，以模袋式混凝土作為襯砌形式，保證輸水渠道安全穩(wěn)定性。另在泵站上游河流建有進(jìn)水塔，進(jìn)水塔頂部高程與蓄水池接近，為288 m，塔寬為37.5 m，順?biāo)鞣较驗(yàn)?8 m，以多段式框架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)攔污柵形式，每個(gè)攔污柵5×15 m，其中每個(gè)攔污柵上布設(shè)有2個(gè)進(jìn)水口，尺寸為3.5×10 m，框架式攔污柵支撐采用進(jìn)水塔墩系結(jié)構(gòu)，設(shè)置有橫縱梁與塔墩相連，目前橫梁設(shè)計(jì)為高寬1×0.8 m，總量為正方形平面結(jié)構(gòu)，邊長(zhǎng)為1 m，框架攔污柵結(jié)構(gòu)與塔墩橫縱梁支撐式結(jié)構(gòu)，均采用鋼筋混凝土一體式澆筑形成。另在攔污柵中間布設(shè)有平面弧型鋼閘門(mén)，閘門(mén)啟閉均采用泵站管理廠房?jī)?nèi)液壓式啟閉機(jī)精確控制，保證水資源調(diào)控量精準(zhǔn)，確保泵站運(yùn)行安全。塔墩連系梁結(jié)構(gòu)體系是該泵站工程中重要支撐結(jié)構(gòu)，探討其安全穩(wěn)定性對(duì)確保泵站安全運(yùn)營(yíng)具有重要作用。進(jìn)水塔主要結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1 進(jìn)水塔主要結(jié)構(gòu)三維圖

現(xiàn)場(chǎng)工程地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，場(chǎng)地屬Ⅱ級(jí)場(chǎng)地，區(qū)域內(nèi)活躍地質(zhì)構(gòu)造發(fā)育較少，僅在上游河流左岸坡延伸有一定向斜，長(zhǎng)度實(shí)測(cè)值為1.2 km，局部破碎帶夾有泥質(zhì)膠結(jié)灰?guī)r，表面出露巖石受風(fēng)化影響較強(qiáng)，巖角已出現(xiàn)粉末狀。泵站場(chǎng)地表面為第四系人工填土，厚度較薄，約為1.3 km，但相比農(nóng)田灌區(qū)內(nèi)表面第四系種植土，該人工填土層松散性較大，顆粒分選性顯著，無(wú)顯著砂石顆粒。下方土層為砂礫土，顆粒粒徑為1.6～5.8 mm，磨圓度較高，含水量較低，分析是泵站進(jìn)水塔上游河流沖刷搬運(yùn)沉積形成，作為地區(qū)內(nèi)公路路面以及輸水干渠持力層。基巖層以弱風(fēng)化灰?guī)r為主，塊狀結(jié)構(gòu)，表面磨圓度較高，無(wú)可見(jiàn)顯著孔隙，巖體完整性較好，室內(nèi)測(cè)試常溫滲透系數(shù)為10-18m2，其含水量對(duì)進(jìn)水塔墩靜力穩(wěn)定性影響較弱。以上述工程資料為基礎(chǔ)，基于模態(tài)分析理論，借助數(shù)值仿真手段，計(jì)算研究設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)動(dòng)力影響特征。

2.2 模型建立與荷載參數(shù)

為準(zhǔn)確模擬計(jì)算出進(jìn)水塔墩連系梁動(dòng)力特性受設(shè)計(jì)參數(shù)影響特征，本文仿真模型包括有進(jìn)水塔以下15m地基，模型以六面體為基本單元體，體現(xiàn)模型變形自由度，共獲得單元總數(shù)198 738個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)96 538個(gè)，所建立泵站進(jìn)水塔整體仿真模型見(jiàn)圖2(a)，進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)有限元模型見(jiàn)圖2(b)。有限元計(jì)算過(guò)程中，空間坐標(biāo)體系X、Y、Z正方向分別為水流右側(cè)垂線方向、順?biāo)飨?、向上豎向。限于篇幅，本文考慮影響進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)體系中增設(shè)切角的高度、坡度設(shè)計(jì)參數(shù)，分別開(kāi)展影響性計(jì)算研究。

圖2 有限元仿真模型

邊界約束荷載考慮進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)自重，外荷載為地震動(dòng)作用，以擬靜力法考慮將地震動(dòng)作用分為慣性力與動(dòng)水壓力影響。其中慣性力以反應(yīng)譜作為荷載確認(rèn)，本文地震動(dòng)反應(yīng)譜以工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)值作為施加荷載，其具體測(cè)量反應(yīng)譜圖見(jiàn)圖3，分解成進(jìn)水塔空間體系中3個(gè)方向，分別作用在結(jié)構(gòu)模型節(jié)點(diǎn)上。

圖3 加速度反應(yīng)譜實(shí)測(cè)值

動(dòng)水壓力按照式(1)計(jì)算，并施加在進(jìn)水塔地基結(jié)構(gòu)體系中。

(1)

式中：H為深度；Zi、Ai分別為壩基距離與截面積。

3 增設(shè)切角參數(shù)對(duì)進(jìn)水塔墩系梁動(dòng)力響應(yīng)影響

為分析切角參數(shù)對(duì)墩系梁動(dòng)力響應(yīng)影響，設(shè)計(jì)開(kāi)展不同切角設(shè)置高度、不同切角坡度動(dòng)力體系計(jì)算分析。

3.1 增設(shè)切角高度

本文切角高度研究方案分別有0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m，并加入一組未設(shè)置切角的研究方案(認(rèn)為切角高度0 m)，同時(shí)保證切角坡度固定為1/3(高長(zhǎng)比)，且橫縱梁截面其他設(shè)計(jì)參數(shù)均保持一致，典型不同切角高度下截面幾何圖見(jiàn)圖4。

圖4 切角不同高度截面幾何圖

基于對(duì)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)體系中仿真求解，獲得進(jìn)水塔墩系梁體系中動(dòng)力響應(yīng)特征，圖5為模態(tài)體系中計(jì)算獲得各切角高度下進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)中應(yīng)力特征變化曲線。

圖5 各切角高度方案下結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力特征變化

從圖5中可知，橫梁軸向拉應(yīng)力受增設(shè)切角高度參數(shù)影響顯著，并與之為負(fù)相關(guān)變化特征，在未設(shè)置切角情況下橫梁拉應(yīng)力最大，達(dá)14.6 MPa，當(dāng)僅改變切角高度為0.5和0.6 m時(shí)，拉應(yīng)力相比分別降低14.4%和17.8%，即增設(shè)切角有助于降低橫梁結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力參數(shù)，且切角高度愈高，抑制橫梁結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力愈顯著。改變?cè)鲈O(shè)切角高度，縱梁軸向拉應(yīng)力增長(zhǎng)較緩，且僅在增設(shè)切角高度為0.3 m后才開(kāi)始小幅增長(zhǎng)，高度0.3 m以下幾乎無(wú)變化，切角高度0.6 m相比0.3 m時(shí)的縱梁拉應(yīng)力增長(zhǎng)6.4%，達(dá)8.3 MPa，分析表明僅當(dāng)增設(shè)切角高度過(guò)高時(shí)，才會(huì)促進(jìn)縱梁拉應(yīng)力參數(shù)。從柵墩第一主應(yīng)力特征參數(shù)變化可知，其與切角設(shè)置高度并無(wú)顯著性關(guān)系，不論是切角高度0.3 m，亦或是0.6 m，第一主應(yīng)力參數(shù)值均穩(wěn)定在8.77 MPa左右，表明柵墩主應(yīng)力并不受切角高度改變而影響。

圖6為柵墩各方向位移相對(duì)值與切角高度關(guān)系曲線。從圖6中可看出，柵墩Y向、Z向位移相對(duì)值曲線為一水平線，即Y向、Z向位移不受增設(shè)切角高度影響；柵墩X向位移相對(duì)值曲線整體上隨切角高度增大而逐漸降低，切角高度0.6 m時(shí)X向位移相對(duì)值為15.6 mm，但其相比切角高度0.2 m時(shí)降低8.2%，即切角高度尺寸改變，則柵墩X向位移會(huì)有所減小。

圖6 柵墩各向位移與切角高度關(guān)系曲線

圖7為計(jì)算獲得進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)體系中，特征部位壓應(yīng)力受增設(shè)切角高度影響變化曲線。從圖7中曲線變化可知，橫梁軸向壓應(yīng)力、柵墩第三主應(yīng)力、結(jié)構(gòu)體系整體第三主應(yīng)力分別與切角高度均為負(fù)相關(guān)變化，切角高度為0.6 m時(shí)的橫梁軸向拉應(yīng)力為12.8 MPa，相比切角高度0.2和0.3 m時(shí)降低10.5%和8.6%，相同對(duì)比情況下柵墩第三主應(yīng)力降幅分別為10%和6.1%。另一方面，縱梁軸向壓應(yīng)力受切角高度影響，會(huì)稍有增大，橫梁切角高度為0.6 m縱梁壓應(yīng)力相比高度0.2 m上升4.8%；從各特征結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力分布可知，均未超過(guò)混凝土材料允許應(yīng)力值，處于較為安全狀態(tài)。

圖7 各切角高度方案下結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力特征

圖8為切角高度為0.6 m時(shí)柵墩各方向位移分布云圖，體系中位移分布較為穩(wěn)定，受地震動(dòng)荷載作用，最大位移出現(xiàn)在X向，達(dá)15.5 mm，位于柵墩迎水側(cè)區(qū)域，順?biāo)鞣较蛭灰谱詵哦盏撞恐另敳恐饾u增大，柵墩豎向最大位移沉降為39.6 mm，位于墩頂。綜合上述位移與應(yīng)力分析，橫梁切角設(shè)置高度為0.6 m時(shí)進(jìn)水塔墩系梁體系結(jié)構(gòu)較穩(wěn)定，可增強(qiáng)進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震性能。

圖8 切角高度0.6 m時(shí)位移分布

3.2 增設(shè)切角坡度

切角坡度研究方案分別設(shè)置1/1、1/2、1/3、1/4和1/5，其他設(shè)計(jì)參數(shù)均保持一致，計(jì)算獲得各方案墩系梁動(dòng)力響應(yīng)特征，并比較獲得最佳抗震性能方案。為分析方便，本文將各方案中切角坡度1/1、1/2、1/3、1/4和1/5換算成長(zhǎng)高比1/1、2/1、3/1、4/1和5/1，并在各坐標(biāo)體系中分別以長(zhǎng)高比1、2、3、4、5代替。圖9為不同切角坡度方案下進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)體系中特征部位拉應(yīng)力變化。

圖9 各切角坡度方案下結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力特征

從圖9中可看出，當(dāng)切角長(zhǎng)高比改變時(shí)，縱梁拉應(yīng)力、柵墩第一主應(yīng)力無(wú)明顯變化，僅橫梁拉應(yīng)力為先減小后增大變化，橫梁最低拉應(yīng)力為長(zhǎng)高比3/1時(shí)(坡度1/3)，達(dá)13.5 MPa，從長(zhǎng)高比1/1至3/1時(shí)橫梁拉應(yīng)力降低5.6%，但從長(zhǎng)高比3/1至5/1時(shí)，橫梁拉應(yīng)力又增大2.2%。分析表明，切角坡度過(guò)大過(guò)小，均會(huì)影響橫梁拉應(yīng)力參數(shù)，應(yīng)保持切角坡度設(shè)計(jì)在合理區(qū)間，抗震性能才最佳。

圖10為各坡度(長(zhǎng)高比)參數(shù)下進(jìn)水塔柵墩各方向位移特征。從圖10中曲線可知，不論是柵墩X向亦或是Z向，各坡度下位移幾乎均為水平線，X向位移變化幅度亦是3個(gè)方向中最大，但亦僅為1.1%，即柵墩位移并不受切角坡度影響。分析表明，切角坡度改變，并不影響柵墩位移特征。

圖10 柵墩各向位移與切角坡度關(guān)系曲線

圖11為各切角坡度下進(jìn)水塔墩系梁壓應(yīng)特征參數(shù)變化。從圖11中可知，當(dāng)長(zhǎng)高比增大時(shí)，橫梁壓應(yīng)力為先減后增，最低壓應(yīng)力為長(zhǎng)高比3/1時(shí)，達(dá)13.8 MPa；柵墩第三主應(yīng)力、縱梁壓應(yīng)力均幾乎無(wú)變化，分別穩(wěn)定在11.7和8.4 MPa左右；結(jié)構(gòu)體系中第三主應(yīng)力最大值為15 MPa，此時(shí)長(zhǎng)高比為1/1，在長(zhǎng)高比3/1時(shí)，相比前者減少6%，而在長(zhǎng)高比3/1后，結(jié)構(gòu)體系中第三主應(yīng)力又隨之增大；從各研究方案壓應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，均低于混凝土原材料允許強(qiáng)度，滿足安全要求。綜上動(dòng)力響應(yīng)應(yīng)力與位移特征可知，切角坡度對(duì)結(jié)構(gòu)體系中特征部位拉壓應(yīng)力影響特征一致，例如切角坡度減小(長(zhǎng)高比增大)，橫梁拉壓應(yīng)力均為先減后增，縱梁拉壓應(yīng)力無(wú)顯著變化，從設(shè)計(jì)方案最佳抗震性能考慮，當(dāng)切角坡度為1/3時(shí)最適宜。

圖11 各切角坡度方案下結(jié)構(gòu)壓應(yīng)力特征

圖12、圖13分別為坡度1/3時(shí)進(jìn)水塔墩系梁特征部位應(yīng)力分布、柵墩各向位移分布，從中可知3個(gè)特征部位中拉應(yīng)力以橫梁中為最大，達(dá)13.9 MPa，最大拉應(yīng)力位于橫梁第三排邊緣內(nèi)側(cè)區(qū)域；各排縱梁應(yīng)力分布基本為相似，其最大應(yīng)力位于中間排框；柵墩迎水側(cè)應(yīng)力高于背水側(cè)，最大拉應(yīng)力位于柵墩底部，達(dá)8.8 MPa。順?biāo)鞣较蛭灰谱远盏撞恐另敳恐饾u由正向變換為負(fù)向；豎向位移最大沉降為3.9 mm，柵墩水流方向上最大位移位于迎水側(cè)，邊緣側(cè)柵墩位移分布為一致，中間柵墩位移分布最大，且具有相似性。從位移分布與特征部位應(yīng)力表現(xiàn)來(lái)看，設(shè)置切角坡度1/3時(shí)，結(jié)構(gòu)體系中抗震動(dòng)力響應(yīng)特性最佳。

圖12 坡度1/3時(shí)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布

圖13 坡度1/3時(shí)柵墩位移分布

4 結(jié) 論

針對(duì)抽水泵站進(jìn)水塔墩系梁動(dòng)力響應(yīng)特性，基于模態(tài)分析理論建立仿真模型，研究增設(shè)切角的高度、坡度對(duì)其動(dòng)力響應(yīng)影響特征，結(jié)論如下：

1) 研究了增設(shè)切角高度對(duì)結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力影響特性，增設(shè)切角有助于降低橫梁結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力，且切角高度愈高，抑制橫梁結(jié)構(gòu)拉應(yīng)力愈顯著；縱梁拉應(yīng)力僅在增設(shè)切角高度0.3 m后小幅增長(zhǎng)；柵墩第一主應(yīng)力與增設(shè)切角設(shè)置高度無(wú)顯著關(guān)系，各高度方案中第一主應(yīng)力均為8.77 MPa左右。

2) 研究了增設(shè)切角高度對(duì)結(jié)構(gòu)位移與壓應(yīng)力影響特性，柵墩X向位移相對(duì)值與切角高度為負(fù)相關(guān)變化，但Y向、Z向位移不受橫梁切角高度影響；橫梁壓應(yīng)力以及第三主應(yīng)力與切角高度均為負(fù)相關(guān)關(guān)系，縱梁壓應(yīng)力隨增設(shè)切角高度增大，稍有小幅增大，壓應(yīng)力均未超過(guò)混凝土材料允許應(yīng)力值。

3) 分析了切角坡度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力影響特征，縱梁拉壓應(yīng)力、柵墩第一、第三主應(yīng)力不受切角坡度影響；切角坡度過(guò)大過(guò)小，均會(huì)影響橫梁拉壓應(yīng)力，隨著坡度減小，橫梁拉壓應(yīng)力均為先減后增，坡度1/3時(shí)壓應(yīng)力相比坡度1/1時(shí)減少6%。

4) 研究了切角坡度對(duì)結(jié)構(gòu)位移影響特性，柵墩X向、Y向、Z向位移相對(duì)值隨坡度變化幾乎均為穩(wěn)定不變狀態(tài)；當(dāng)增設(shè)切角高度0.6 m、坡度1/3時(shí)，結(jié)構(gòu)抗震性能最佳。