塔背回填混凝土對進水塔地震響應的影響分析

李 鋒

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

文章編號：1006—2610(2015)01—0085—03

塔背回填混凝土對進水塔地震響應的影響分析

李 鋒

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司，西安 710065)

塔背回填混凝土將岸塔式進水塔和山巖連成一體，提高了進水塔整體剛度，有效改善了塔體在地震情況下的拉應力幅值，對進水塔結構的抗震設計非常關鍵。以某水電站的岸塔式進水塔為例，針對不同高度塔背回填混凝土的塔體模型進行三維有限元靜動力計算，以分析回填混凝土對進水塔地震響應的影響。

進水塔；回填混凝土；有限元；靜動力分析；地震響應

0 前 言

某電站進水塔為岸塔式，進水塔底板高程1 737.00 m，底板厚4 m，塔頂高程1 779.00 m，塔高46 m，塔體沿順水流向長15 m，塔寬10 m，塔內設有平板檢修門1道，塔體背部通過回填混凝土與山體相連。研究發(fā)現，回填混凝土能夠有效改善塔體在地震情況下的拉應力幅值，對進水塔結構的抗震設計非常關鍵[1]。鑒此，本文采用三維有限元法針對不同高度塔背回填混凝土的塔體模型進行三維有限元靜動力計算，以分析回填混凝土對進水塔地震響應的影響，為工程設計提供依據。

1 計算分析過程

1.1 計算模型

采用ANSYS建立有限元模型，混凝土和圍巖地基采用SOLID45單元來模擬，地震時塔內外水體產生的動水壓力以附加質量的形式用質量單元Mass21進行模擬[2]。模型在地基深度方向、上下游側及左右側均取2倍建筑物高度(100 m)的無質量地基，以反映地基剛度對塔體動力特性的影響。基礎前后、左右邊界分別按法向鏈桿約束，基礎底部邊界采用全約束，以模擬截斷邊界的影響。圖1為進水塔縱剖面及回填混凝土高度示意圖，4個方案回填高程分別為1 754.00、1 764.00、1 775.00和1 779.00，相應的回填高度依次為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。計算直角坐標系為：豎直向上為x軸正向，順水流向為y軸正向，垂直水流向指向左岸為z軸正向。

1.2 材料參數

進水塔塔體材料為C25混凝土，回填混凝土強度等級為C15，塔體基礎在弱風化巖體內，為Ⅲ類巖體。材料力學參數[3]見表1。

圖1 進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 進水塔三維有限元計算模型

表1 材料參數表

1.3 計算荷載

計算荷載[4-5]包括自重、靜水壓力、動水壓力、揚壓力、地震力，正常蓄水位1 775.00 m。

本工程為Ⅰ等大(1)型工程，進水塔為1級建筑物，抗震設防類別為乙類，地震設防烈度為7度。根據地震安評成果50年超越概率5%相應的基巖動峰值加速度為195.2 gal。采用規(guī)范推薦的地震加速度反應譜進行動力計算，反應譜放大系數2.4，場地特征周期0.55，同時計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。水平地震動總反應幅采用2個主軸方向地震作用效應的平方和方根，再與乘以0.5遇合系數的豎向地震效應相加，在與靜力疊加時地震作用效應折減系數取0.35[6-7]。

1.4 計算工況

根據不同的荷載組合，計算采用以下工況對進水塔進行分析：

(1) 工況1，正常蓄水位(持久狀況)。自重+靜水壓力+揚壓力；

(2) 工況2，地震工況(偶然狀況)。自重+靜水壓力+揚壓力±地震。

2 有限元計算結果分析

2.1 塔體自振特性

各計算模型塔體前5階自振頻率如表2所示。

表2 進水塔自振頻率表 /Hz

由表2可知，隨著回填高度的增加塔體自振頻率增大，說明回填混凝土提高了進水塔的整體剛度；滿庫情況下由于附加質量的影響，結構自振頻率相對空庫時變小，這與在剛度不變的情況下，質量越大，頻率越小的規(guī)律是相符的。滿庫時，塔體基頻較空庫降幅約為30%，說明水體附加質量對塔體自振頻率影響很大[8]。

2.2 塔體位移反應

各方案塔體最大位移變化趨勢如表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

由計算結果可見，地震工況下塔體位移幅值遠大于正常工況，為控制性工況。

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

2.3 塔體應力反應

各方案塔體主應力變化趨勢如表4和圖4、5所示，圖表中正號表示拉應力，負號表示壓應力。

表4 各方案塔體主應力極值表 /MPa

圖4正常工況不同回填高度下塔體主應力極值變化曲線圖

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力遠大于正常工況，為控制性工況。

對于主壓應力，在2種工況下，隨著回填混凝土高度的增加均呈上升趨勢，但是變化幅度較小；對于主拉應力，在正常工況下，隨著回填混凝土高度的增加呈上升趨勢，地震工況下，則隨著回填混凝土高度的增加呈下降趨勢，而且地震工況下拉應力幅值及其變化幅度遠大于正常工況，說明回填混凝土能夠有效降低塔體地震情況下的拉應力值，對于塔體抗震設計非常重要。

3 結 語

通過對不同高度塔背回填混凝土的進水塔三維有限元靜動力分析可知，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力幅值，對于塔體抗震設計非常關鍵，但是回填高度太高不僅增加工程成本而且會增加塔體約束，導致在正常運行期塔體拉應力值較大。因此在設計中需要通過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力值在可接受范圍內，又不至于在正常運行期出現較大拉應力，同時也能降低工程成本。

[1] 梁德娣.水電站進水塔結構體型的抗震動力特性研究[D].西安:西安理工大學碩士學位論文,2012,3.

[2] 祖威.黃金坪右岸小廠房進水塔結構靜動力分析[J].水電站設計,2014,(2):63-66.

[3] DL/T 5057-2009,水工混凝土結構設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2009.

[4] DL /T5398-2007,水電站進水口設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2008.

[5] DL 5077-1997,水工建筑物荷載設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,1998.

[6] DL 5073-2000,水工建筑物抗震設計規(guī)范[S].北京：中國電力出版社,2000.

[7] 程漢昆,趙寶友,馬震岳.岸塔式進水塔結構的抗震與穩(wěn)定性分析[J].水電能源科學，2011,(11):94-96.

[8] 王銘明,陳健云,徐強.重力壩-庫水-地基相互作用分析方法比較研究[J].大連理工大學學報,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，主要從事水工結構設計工作.

TV223.7；TU352.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.022