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拉拉山水電站進水塔三維動力有限元分析

2015-06-27 18:00:12柳樹搖李紅李楨
科技創新與應用 2015年18期
關鍵詞:有限元

柳樹搖 李紅 李楨

摘 要:進水塔結構復雜,在高地震烈度區表現為復雜的動力特性,塔體結構的穩定性直接關系到結構的安全性及設計的合理性。文章采用三維動力有限元的方法,通過在人工邊界上輸入實測地震波來模擬地震作用,得到了進水塔結構動位移和動應力響應,并基于有限元計算結果進行了進水塔穩定性分析。計算結果表明,拉拉山水電站進水塔在地震作用下是穩定的。

關鍵詞:進水塔;有限元;動力分析

1 工程概況

拉拉山水電站位于甘孜州巴塘縣境內,電站為引水式開發,該電站位于巴楚河中游河段上,工程河段上起松多,下止措松龍,河段長23.5km,天然落差225m。電站閘址位于松多鄉松多村,正常蓄水位3004.00m,相應庫容106萬m3,電站裝機容量96MW,具有日調節性能。電站進水塔緊靠排污閘布置于左岸,進口分水角為64°51'59"。進水口由喇叭口、攔污柵、進水閘組成,總長36.2m。

2 巖體及混凝土靜、動力學參數

3 進水塔抗震分析及評價

3.1 計算方法及假定

利用ANSYS有限元分析程序建立三維有限元模型,地震作用采用時程分析法。本次分析計算中所利用的時間歷程分析理論的基本假定有:(1)庫水假定為不可壓縮流體,因此庫水對進水塔的動力作用即相當于附加質量。(2)地基為均勻體,并人為地截取一條邊界作為地震輸入邊界。在計算中假定地震運動沿人工邊界均勻輸入。(3)假定人工邊界范圍以內的地基是“無質量地基”,在形成整個系統的特征矩陣時,地基單元只考慮彈性,不考慮質量,以消除波的傳播效應,避免人為的放大作用。

3.2 地震波的選取

地震波是一個頻帶較寬的非平穩隨機振動,受各種因素影響而變化,采用時程法對結構進行地震分析時,輸入地震波不同,所得的地震反應相差較大,因此,合理選擇地震波進行直接動力分析是保證計算可靠性的重要保證。

拉拉山水電站的場地類別屬于III類,工程場地的地震基本烈度為Ⅷ度,進水塔未來50年超越概率為10%基巖地震動峰值加速度1.85m/s2,特征周期為0.4s,進水塔抗震分析計算中選擇場地實測波進行計算,本次計算考慮水平向地震波。地震波正向峰值加速度1.60m/s2,負向峰值加速度為-1.85m/s2。加速度時程曲線見圖1。

3.3 計算模型

計算模型模擬范圍包括塔體部分和地基部分,其中塔體部分的下部邊界取至底板下表面,高程2988.00m;平臺高程3005.50m,排架頂部高程3016.00m,計算模擬的總高度為28m。地基部分的上下游長約22m,左右兩側長約19.5m,與塔體兩側一致;地基深度取25m,即延伸約1.5倍最大塔高。坐標系的X軸取順水流方向,以指向上游為正;Y軸取垂直水流方向,指向右岸為正;Z軸取豎直方向,向上為正。符合右手螺旋定則。塔體及地基的三維有限元模型見圖2。

3.4 計算結果及分析

3.4.1 位移場分析

經比較,在t=13.22s時,進水塔結構綜合位移值較大。從整個時間歷程上看,順水流向位移Ux:對于塔體頂部,X向動位移最大值為-0.003mm,位于塔體頂部,出現時間為t=13.22s;X向動位移最小值為-0.01mm,出現時間為t=5.46s;對于排架,X向動位移最大值為2.84mm,位于啟閉機房頂部,出現時間為t=13.22s;X向動位移最小值-2.29mm,位于啟閉機房頂部處,出現時間為t=11.46s。豎向位移Uz:對于塔體頂部,Z向動位移最大響應為-0.162mm,出現時間為t=13.22s;Z向動位移最小響應為-0.163mm,出現時間為t=11.38s;對于排架,Z向動位移最大響應為-0.33mm,出現時間為t=11.46s;Z向動位移最小響應-0.55mm,出現時間為t=13.22s。

從時間點(塔體t=13.22s)的位移等值線圖上看,順水流向位移Ux:對于塔體和排架整體,X向動位移最大響應為2.92mm,位于排架頂部;上部排架X向動位移明顯大于下部塔體。垂直水流向位移Uy:對于塔體和排架整體,Y向動位移最大響應為0.23mm,位于明渠平臺邊緣;除去排架頂部,Y向動位移在-0.14mm~0.21mm范圍內。豎向位移Uz:對于塔體和排架整體,Z向動位移最大響應為0.65mm,位于排架頂的中部;Z向動位移分布趨勢為從上而下逐漸減小。綜合位移Usum:對于塔體和排架整體,綜合位移最大響應為2.92mm,位于塔體頂的中部;綜合位移以豎向位移為主,分布趨勢同豎向位移相似。進水塔排架啟閉機房頂部動位移最大,分布趨勢從上而下逐漸減小,整體動位移較小。

3.4.2 應力場分析

經比較,在t=11.87s時,進水塔結構動應力響應較大。從代表點的整個時間歷程上看,在t=11.87s時,進水塔動應力響應最大,此時整個結構以受壓為主;各應力關鍵點中σ1最大值為1.15MPa,位于進水口胸墻處d點,出現時間為t=11.87s;σ3最小值為-1.54MPa,位于排架底部e點,出現時間為t=7.54s。地震作用效應的計算結果表明,在塔體與排架結構結合部位、中間各層板梁結構、部分載面突變處會產生較高的應力集中,需要配筋處理,增強混凝土的抗拉性能。

從時間點(塔體t=11.87s)的應力等值線圖上看,第一主應力σ1:在地震作用下,第一主應力主要為拉應力,最大值為1.4MPa,為應力集中,未超過C25混凝土動態抗拉強度2.31MPa;除去應力集中區域,塔架大部分區域應力在1.0MPa以內;塔體第一主應力值較小。第三主應力σ3:在地震作用下,第三主應力主要為壓應力,最大壓應力為-5.52MPa,發生在進水塔胸墻部位;較大壓應力主要出現在上部排架柱的底部和各梁柱的連接處,除去應力集中區域,進水塔整體第三主應力值較小,大部分區域壓應力值在-3.5MPa以內,未超過C25混凝土動態抗壓強度21.71MPa。Z向正應力σz:塔體沿Z向以受壓為主,壓應力最小值為-3.1MPa;較大壓應力主要發生在排架柱底部;塔體Z向應力值較小,大部分區域應力值在-2.3MPa~-0.1MPa范圍內。巖基豎直向正應力σz:塔體底部基礎豎直向全部承受壓應力,最大豎直向壓應力-0.42MPa,發生塔體兩側明渠底部巖基,進水塔巖基動態承載力標準值為靜態承載力標準值的1.5倍,則動態承載力標準值為1.5MPa~1.8MPa,巖基最大豎向壓應力值小于巖基動態承載力標準值,滿足規范要求。

3.4.3 基于有限元計算結果的進水塔穩定計算

基于前面有限元動力的計算結果,對進水塔沿建基面的抗滑穩定進行計算分析。在地震波的作用下,進水塔沿建基面的抗滑穩定安全系數為6.20~8.60,均大于規范規定的抗滑穩定安全系數1.05,滿足規范要求,說明進水塔在地震工況作用下是安全穩定的。

3.5 進水塔抗震時程分析及評價

進水塔頂部動位移最大,分布趨勢從上而下逐漸減小,整體動位移不大,規律性合理;根據前面的有限元動力計算結果,進水塔動應力均小于混凝土強度設計值,基礎豎向應力均小于基礎承載力;采用基于有限元靜力計算成果的剛體極限平衡法,將進水塔在實測波作用下,沿建基面的抗滑安全穩定系數大于規范允許安全系數,進水塔沿建基面安全穩定。

4 結束語

文章采用三維有限元方法,對拉拉山水電站進水塔進行了三維動力分析,分析了其位移和應力響應,對分析了其抗滑穩定安全性。分析結果表明,進水塔在地震工況下,其結構應力、基礎承載力及抗滑穩定均滿足規范要求。為確保工程安全,建議加強地震動監測,密切關注震前、震后進水塔結構的位移和應力變化。同時,進水塔塔身結構體型力求簡單對稱,質量和剛度變化平緩,減少應力集中,并確保足夠剛度。塔體上部和后部與巖體緊貼,并在基礎部位布設固結灌漿,增加整體性。

參考文獻

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[2]樂成軍,任旭華,邵勇,等.水電站進水塔結構抗震設計研究[J].水力發電,2009,35(5):86-89.

[3]范書立,陳健云,陳明陽,等.水電站進水塔不同抗震驗算方法對比分析[J].人民長江,2011,42(17):51-54.

[4]趙曉西,王宗敏,朱太山,等.ANSYS軟件在高進水塔靜動力分析中的應用[J].計算機應用,2005,31(3):72-73.

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