強震區高聳建筑物地震動反應研究

周劍萍

義烏工商學院，浙江義烏 322000

我國是一個地震頻發的國家。隨著水利水電事業的進一步發展,在強震區會興建越來越多水利水電工程。對于水利水電工程引水、泄水系統，進水口屬于關鍵性建筑物，由于其體型原因、抗震性能相對較差，因此進行進水塔地震反應研究具有非常重要的意義。

本文結合某水電站進水口結構的靜、動力分析，研究地震動對進水口建筑的反應。水電站地處青藏高原東南緣向四川盆地過渡之川西南高山區中部，工程區未來面臨的地震危險性主要來自于鮮水河地震帶和安寧河地震帶對它的影響。進水口塔基大部分布置在以IV類強風化、弱卸荷的花崗巖為主的巖體上，部分布置在Ⅴ類為主的巖體上。地震基本烈度為8度，壩址50年超越概率5%基巖水平向峰值加速度為0.331g。

引水系統由電站進水口和引水隧洞組成，電站進水口采用岸塔式，進水口布置在距壩上游100m處，與大壩左壩肩相連，進水塔前沿4臺機組進水口呈“一”字型并排布置。進水口底板高程1090.00m，底板建基面高程1085.00m。進水口的進水前沿總寬114.0 m，順水流向長30.0 m，總高度50 m。引水隧洞共4條，洞徑為10.0 m，隧洞中心距34.0 m，隧洞中心線方位角為N60.256°W，隧洞圍巖材料主要為Ⅱ、Ⅲ類花崗巖。每個進水單元有5×2道攔污柵，進水口孔口斷面8.0m×10.0m（寬×高）。塔體段設有檢修門、工作門各一道，工作門后設通氣孔。

1 計算模型

圖1 進水口結構與基巖有限元計算網格圖

圖2 整體進水口

由于多塔并列塔體整體性好，使得抗震性能要有所提高，所以本文僅研究單個塔體的地震動反應。有限元計算模型包括進水口攔污柵框架、塔身整體結構以及相應的巖石基礎。進水口攔污柵框架、塔體和基巖均按照六/五面體8/6節點三維實體單元離散，按照真實設計尺寸建立有限元模型。邊界條件考慮了基巖各地層風化條件、施工開挖的強弱卸載條件影響。網格剖分根據混凝土結構的受力特點，在結構開孔周邊和截面發生突變的關鍵部位適當進行網格加密處理。進水口塔身混凝土與引水隧洞之間留有結構施工縫，計算中采用將此部分分開處理，而塔背上部二期回填混凝土與岸坡采用粘結條件處理。結構混凝土為C20，基礎置換與回填混凝土為C15。靜力分析中，混凝土材料的彈性模量按照設計標準計算，動力分析中彈性模量較靜力分析提高30%，相應動強度提高30%考慮，以反映混凝土材料對加載速率的影響。

2 荷載說明

有限元分析計算中混凝土結構所考慮的主要荷載包括：結構自重、靜水壓力、設備自重、揚壓力、滲透壓力、浪壓力、活荷載、施工荷載、溫降、地震慣性力和地震動水壓力等。揚壓力：作用在塔體建基面上的揚壓力按相應水位分別計算。建基面上只考慮浮托力的作用，不考慮滲透壓力。滲透壓力：考慮進水口結構塔背從1105.0～1135.0采用C15混凝土回填，考慮回填混凝土與結構混凝土之間存在滲透水壓力。滲透壓力按相應作用水頭分別計算。浪壓力：實際計算中，浪壓力考慮為單位寬度壓力。有限元計算中處理為面分布壓力，并作用在相關的結構部位。溫降：混凝土結構分別考慮均勻溫降5℃和10℃兩種情況，不考慮結構溫降梯度影響。地震水壓力的取值是根據《水工建筑物抗震設計規范》的相關規定，塔內、外的地震水壓力可分別作為塔內、外表面的附加質量考慮，并作用在相應作用面上，按式（1）計算

式（1）中，mw（h）-水深h處單位高度動水壓力附加質量代表值；ψm(h)-附加質量分布系數；ηw-形狀系數；A-塔體沿高度平均截面于水體交線包絡面積；a-塔體垂直地震作用方向的迎水面最大寬度沿高度的平均值。

3 動力特性計算成果與分析

進水口動力特性的計算內容包括施工期空庫狀態動力特性和運行期滿庫狀態動力特性，以比較結構頻率和振型的差別與變化。表一給出了兩個工況下的自振頻率和振型。比較可知：1）進水口結構的低階頻率所對應的振型屬整體振動，頻率值相差明顯，可以采用反應譜理論計算進水口結構的動力響應；2）高階頻率所對應的振型基本上屬于框架上的柵柱、橫撐和縱撐的局部振動；3）附加質量對結構低價頻率影響較小，各階振型基本保持不變。施加順水流向附加質量對結構第一階頻率影響僅為2.9%；施加橫水流向附加質量后，結構低階頻率基本不變，前三階頻率不變，第四階頻率略有降低；4）附加質量對結構高價頻率影響比較明顯，即附加質量對攔污柵框架的局部振動影響較大。

施工期結構自振頻率 運行期結構自振頻率

表1 不同工況下的結構自振頻率

4 地震反應計算結果

振型分解反應譜法是各國抗震規范中建議的一種主要抗震分析方法。根據振型分解法，結構在任一時刻所受的地震作用為該時刻各振型地震作用的線性疊加。但是當某一時刻的某一振型的地震作用以及由此產生的效應達到最大值時，其他振型的地震作用以及由此產生的效應不一定是最大值。因此，若利用各振型的地震效應峰值來總合成結構總的地震效應，則需要研究陣型組合的問題。由分析可知，當地震時地面運動為平穩隨機過程時，對于各平動振型產生的地震效應可近似地采用下列“平方和開方”法確定：

式中：Sm-m振型地震作用產生的作用效應，其包括內力和變形。

4.1 地震反應位移

由于篇幅有限，表二給出了單獨地震順水流向水平與垂直地震組合（工況1）和單獨地震橫水流向水平與垂直地震組合（工況2）激勵下攔污柵框架上柵柱、縱撐、橫撐和胸墻順水流向位移響應峰值。由表二可知攔污柵框架順水流向最大水平位移UX發生在柵柱頂部和胸墻頂部，最大值為11.28mm。因此，攔污柵框架頂部胸墻與塔身相連，形成整體后，極大地增大了攔污柵框架與塔身的整體性，有益抵抗橫水流向和順水流向的水平地震激勵。

表2 攔污柵框架順水流向水平位移UX峰值表（mm）

4.2 地震反應應力

總的來看，在工況1中，縱撐和柵柱上的拉應力峰值要明顯大于橫撐上的拉應力峰值。在工況2中，前橫撐上的橫河向正拉應力峰值最大，達到6.025MPa。計算結果表明：在工況1中，建基面、底板、喇叭口上唇和塔背部分混凝土的垂直向拉應相對較大；其中，底板垂直向的拉應力達到2.629MPa，是塔身中混凝土拉應力最高的部位，表明塔身對垂直向地震的響應比較敏感。同一條件下，檢修門槽、工作門槽和通氣孔部分混凝土普遍相對較低，孔邊動應力集中程度不明顯。在工況2中，底板、喇叭口上唇、工作門槽和塔背部分混凝土的垂直向和橫水流向水平拉應力均相對較大；其中，由于回填混凝土對塔身的約束，塔背的垂直向拉應力達到2.159MPa，是塔身中混凝土拉應力最高的部位；同樣表現出底板對垂直向地震的響應比較敏感。工作門槽孔處的垂直向和橫水流向拉應力峰值分別達到1.654MPa和1.821MPa，喇叭口上唇動應力集中程度較明顯，其橫水流向拉應力峰值達到2.070MPa。

5 主要結論和建議

1）在地震激勵下，進水口塔身結構應力和變形較小，表明塔身已經具備相當的抗震性能。但攔污柵框架上的水平橫撐和縱撐出現較大的拉應力，是整個進水口結構抗震設計的控制條件。根本原因還是地震設計加速度值高，塔身與攔污柵框架連接部位的水平橫撐和縱撐成為體系中的薄弱環節；2）橫水流向地震對進水口結果的作用效應要比順水流向的作用效應明顯，而垂直向地震對底板的作用效應比較明顯；3）計算中考慮了機組單元的橫縫灌漿，應是一種工程抗震措施，實際情況下機組單元之間的相互約束沒有計算模型理想；4）塔背回填混凝土、機組之間的灌漿可以比較有效地使進水口結構加強聯系，是可行的抗震工程措施，建議設計中應對施工質量提出具體要求，使結構實際狀態與有限元分析模型相一致；5）基巖條件對流道底板、建基面順水流向與橫水流向水平拉應力峰值和作用范圍影響比較明顯；置換混凝土基礎對降低流道底板、建基面的拉應力有效；置換混凝土基礎后，也可以降低流道底板、建基面順水流向與橫水流向水平拉應力峰值和作用范圍，但對結構動力特性影響甚微，對改善結構抗震性能作用不大。

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