高聳塔柱內部水體作用下頂部機房的鞭梢效應研究

劉德宇， 趙蘭浩，劉 智(河海大學水利水電學院，南京 210098)

近年來擋水建筑物大量修建，升船機的穩定直接決定河道的通航能力，目前已建成的景洪水電站的升船機采用國內外首創的水力浮動式升船機[1]，節能高效。在水力浮動式升船機正常運行時，浮筒豎井內水位變幅大，不同水位下結構對地震波的響應不同。目前對水力浮動式升船機尤其不同水位時水體與塔柱相互作用對頂部機房鞭梢效應產生的影響研究較少，鑒此，本文建立景洪水電站升船機壩段三維有限元模型，考慮頂部機房的鞭梢效應和地基的輻射阻尼效應的影響，對升船機正常運行時頂部機房和塔柱結構的動力響應進行研究，并提出升船機正常運行時的安全建議。

1 三維有限元模型及參數

1.1 有限元模型

景洪水電站升船機高92.0 m，塔柱頂部高程614.0 m，左右塔柱上部由聯系梁相連，升船機左右兩個塔柱各對稱布置8個浮筒豎井。頂部提升機房高度為20.0 m，布置在兩側塔柱頂部。根據抗震計算的特點，建立升船機三維有限元模型，模型包括主體塔柱、主提升機房、上下閘首等，并取與升船機相連的左右兩側部分壩體，地基往下游和底部延伸1.5倍塔柱高度，往上游延伸1.5倍塔柱高度。模型中x軸為橫河方向，正向指向壩體右岸；y軸為順河方向，正向指向下游，z軸為豎直方向，正向指向上方。主提升機房桁架采用二節點桿單元模擬，部分過渡單元采用6結點實體單元模擬，其余都采用8結點實體單元模擬。三維有限元模型見圖 1，圖1(e)中A～F為鋼柱特征點。

圖1 有限元模型及特征點分布圖Fig.1 3D finite element model and feature points distribution diagram

1.2 計算參數

計算模型材料參數見表 1。根據《水工建筑物抗震設計規范》(SL203-97)[2]規定，地震作用下壩體和升船機混凝土的動強度和動彈性模量均在靜態的基礎上提高30%。

表1 材料參數表Tab.1 Material static parameter table

根據《水工建筑物抗震設計規范》(SL203-97)[2]規定，本文按照8級地震標準設計反應譜反演得到3個方向地震波時程曲線，每一個方向的地震波包括加速度、速度和位移信息，水平向設計加速度為0.23g，豎向加速度取水平向的2/3，并對三條地震波進行自相關和互相關檢查。圖2分別為3個方向的地震加速度時程曲線。

圖2 加速度時程曲線Fig.2 Time-history curves of acceleration

為了研究復雜工況下頂部機房的鞭梢效應，本文分別進行3個工況下的計算，首先升船機塔柱頂部機房不參與運算，僅考察塔柱在浮筒豎井高水位下的動力響應(工況一)，再令頂部機房參與運算，考察塔柱和機房分別在高水位(工況二)和低水位(工況三)下的動力響應。以黏彈性邊界波動輸入地震波模擬散射波的輻射和地基彈性恢復能力[3]，采用時程分析法計算升船機塔柱和頂部機房不同工況時在三向地震作用下的位移和加速度響應。

2 豎井內水位變化對鞭梢效應的影響

2.1 模態參數

經自振特性計算得塔柱與機房結構的自振頻率，表2給出浮筒豎井內水位為547.75 m(低水位)和591.66 m(高水位)時的模態參數，可見豎井內水位升高到591.66 m后前五階自振頻率相應增加，振動方向卻沒有改變。

表2 模態參數Tab.2 Model parameter

由表2可見，豎井內水位升高后塔柱和機房結構的自振頻率顯著減小，降低了5%～18%，其中第一階頻率減小12.5%，第二階頻率減小5%。

2.2 結構動力響應

主提機房兩邊鋼柱高20 m，現以塔柱頂為零基準在頂部機房鋼柱結構上取6個特征點，如圖 1(e)在模型中按順序標注。圖 3為機房鋼柱沿高程位移曲線。

圖3 機房鋼柱沿高程位移Fig.3 Displacement curves along the elevation changes

由圖 3可見豎井內充水至591.66 m后頂部機房鋼柱位移顯著增大，在鋼柱頂部位移增幅最明顯，x向位移增加66%，y向位移增加39.9%。圖4是機房頂部位移時程曲線，可見雖然豎井內充水后結構的自振頻率減小，但是結構的位移響應卻增加。

圖4 機房鋼柱頂部位移時程曲線Fig.4 Time-history curves of the engine room

圖4給出了地震作用下x向和y向加速度沿高程變化曲線，x向加速度沿高程增加，y向加速度在特征點E處發生突變，主要是由于此處尺寸顯著減小結構形式突變，導致順河向的剛度發生明顯的變化，鋼柱頂部x向加速度相對于底部加速度的放大倍數也顯著增大，放大6.23～6.76倍，在廠房橫梁處增加的速率變大，y向加速度也在此處加速度開始減小。由圖 4可見豎井充水至高水位后頂部機房各特征點加速度增加了23.2%～45%，其中在特征點E即15 m處加速度增加45%，機房頂部加速度增加36.8%。

圖5 機房鋼柱加速度沿高程變化曲線Fig.5 Acceleration curves along the elevation changes

豎井內水水位變化對頂部機房的鞭梢效應影響復雜，雖然豎井內水位上升使塔柱與頂部機房結構的自振頻率減小，豎井內的水體與豎井相互作用，相當于調諧質量阻尼器，起到了減震的作用；但是在高水位工況下頂部機房的位移和加速度均顯著增大，豎井內水體增多一定程度上增大了整體結構的慣性力，在地震作用下結構產生位移和加速度變大。

3 結 語

本文結合結構的自振特性和地震響應進行鞭梢效應研究，對振動臺模型試驗得出的結論[4]給予了補充。結果顯示，在升船機正常運行時隨著豎井內水位升高，頂部機房的自振頻率降低，但是并沒有起到減震的效果，頂部機房位移和加速度響應顯著增大，機房頂部發生較大扭曲變形和振動破壞，建議頂部機房加強抗震防護，保證運行安全。

□

[1] 劉金堂，曹以南，凌 云，等.景洪水力式升船機設計研究[J]. 水力發電，2008,34(4)：43-45.

[2] SL203-97，水工建筑物抗震設計規范[S].

[3] 何建濤，馬懷發，張伯艷，等.黏彈性人工邊界地震動輸入方法及實現[J].水利學報，2010,41(8)：960-969.

[4] 孫 斌，宮必寧，孫 冕，等.景洪水電站升船機塔樓的振動臺模型試驗[J].水電能源科學，2009，27(1).122-125.