淺談抗震阻尼器在大崗山水電工程中的應(yīng)用

曾　憲，　吳　楠

(1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都　610041；

2.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川 石棉　625409)

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淺談抗震阻尼器在大崗山水電工程中的應(yīng)用

曾憲1，吳楠2

(1.國電大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都610041；

2.國電大渡河大崗山水電開發(fā)有限公司，四川 石棉625409)

摘要：目前，水電工程抗震阻尼器尚無成功應(yīng)用的先例，大崗山水電站結(jié)合自身工程特點開展了探索性的試驗研究，設(shè)計并開發(fā)了短行程、低速度、大噸位的新型拱壩抗震阻尼器，并且通過自動監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對阻尼器運行狀態(tài)的監(jiān)控，為研究水電站地震工況下阻尼器抗震效果創(chuàng)造了條件。

關(guān)鍵詞：阻尼器；特點；設(shè)計；性能檢測

1概況

粘滯阻尼器已經(jīng)在建筑、橋梁、鐵路、工業(yè)、軍事等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。發(fā)揮著抗風(fēng)、抗震、增加阻尼比、減振等保護(hù)結(jié)構(gòu)本身或其內(nèi)部附屬結(jié)構(gòu)、設(shè)備的功能。但是在國內(nèi)外水電工程建設(shè)中尚無應(yīng)用的實例。大崗山水電站壩址工程場地地震基本烈度為Ⅷ度，混凝土雙曲拱壩設(shè)計地震加速度代表值的概率水準(zhǔn)取基準(zhǔn)期100年內(nèi)超越概率P100為0.02，相應(yīng)基巖水平峰值加速度為557.5 cm/s2，在國內(nèi)外已建和在建的200 m級高拱壩中，大崗山設(shè)計地震動參數(shù)最高。

2阻尼器的發(fā)展

阻尼器是以內(nèi)部填充物提供運動的阻力，耗減運動能量的裝置，達(dá)到減振消能的效果。阻尼器的性能主要取決于內(nèi)部填充物的性能和密封裝置的可靠性。阻尼器最初利用硅膠作為中間介質(zhì)，但是硅膠受溫度影響較大，阻尼器改進(jìn)為液體介質(zhì)。液壓粘滯阻尼器經(jīng)歷三代發(fā)展：第一代阻尼器是在一個密封容器內(nèi)充滿硅油，由一活塞桿帶動一組平板運動，與另一組平板產(chǎn)生剪切運動，起到阻尼作用，這種阻尼器效率低，受溫度影響也比較大。第二代阻尼器采用圓管缸體形式，一側(cè)設(shè)置拉桿，連接布有小孔活塞，充滿硅油，當(dāng)活塞運動時硅油從高壓側(cè)有控制的向低壓側(cè)流動，通過調(diào)節(jié)油壓室起到平衡作用。第三代阻尼器是在第二代單桿的基礎(chǔ)上改為雙桿，改進(jìn)密封技術(shù)，取消內(nèi)設(shè)油室，進(jìn)一步提高了阻尼器的穩(wěn)定性和可靠性、阻尼器體積也較第二代大大減小。

圖1　阻尼器結(jié)構(gòu)形式

3大壩抗震阻尼器的特點

目前阻尼器在大型建筑、橋梁、鐵路、工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛應(yīng)用，特別是在橋梁、建筑領(lǐng)域已經(jīng)制定了阻尼器的技術(shù)規(guī)范，但在水電領(lǐng)域的應(yīng)用目前還是一片空白。大崗山水電站大壩抗震阻尼器與這些工程相比是有差異的，大壩主要抵抗地震荷載，其特點是噸位大、行程短、速度低；建筑主要承受地震和風(fēng)荷載，橋梁工程主要是承受過往車輛和風(fēng)荷載，因此阻尼器行程較長；核電主要受運行過程振動荷載，對阻尼器的要求有限位閉鎖裝置，敏感性高，行程短、頻率高。基于荷載與特點的不同，阻尼器的性能要求也不一樣。

4大崗山水電站抗震阻尼器的設(shè)計

4.1拱壩抗震設(shè)計

結(jié)合工程建設(shè)條件和國內(nèi)大壩抗震大崗山拱壩抗震設(shè)計主要技術(shù)措施如下：

(1)大壩采用雙曲拱壩體型和拱端嵌深方案；

(2)采用大壩適當(dāng)加大中心角的方式，增加拱的作用以承擔(dān)大部分地震力。大壩中心角最終確定為:頂拱中心角92.40度；最大中心角93.54度(高程1 090 m)；

(3)采用壩體只設(shè)深孔的泄洪方式，增加拱壩上部結(jié)構(gòu)的完整性；

(4)拱壩上下游邊坡采用混凝土進(jìn)行回填貼角處理，增強整體性；

(5)大壩壩體混凝土強度等混凝土指標(biāo)根據(jù)受力狀況采取分區(qū)方案；

(6)大壩壩體上下游面配置梁向抗震鋼筋，以限制地震裂縫的開度；

(7)大壩壩頂橫縫部位設(shè)置抗震阻尼器；

(8)兩岸拱肩抗力體布置預(yù)應(yīng)力錨索，增強兩岸壩肩的動力穩(wěn)定性；

(9)左右岸均布置抗力體排水洞，降低巖體內(nèi)的滲透壓力；

(10)大壩上游面壩前基坑950 m高程以下回填天然粉砂，增強壩踵部位基巖裂隙自愈作用，同時有利于改善壩體下部溫度場及溫度應(yīng)力分布。

4.2拱壩抗震阻尼器的布置

大崗山拱壩基頻約為1.7Hz。多種非線性有限元分析表明，考慮地基輻射阻尼，設(shè)計地震作用下，大壩橫縫最大開度約12 mm；順河向動位移最大值約20 cm；大壩最大拉應(yīng)力約為3～5 MPa，出現(xiàn)在中高高程下游面壩體中部梁向；大壩最大壓應(yīng)力約為15～17 MPa，出現(xiàn)在低高程下游壩趾附近。考慮無質(zhì)量截斷地基，壩體橫縫，壩體非線性損傷斷裂，在設(shè)計地震條件下，計算得到大壩橫縫最大開度約為25 mm。考慮地基輻射阻尼和壩體材料非線性，在設(shè)計地震時，大壩橫縫開合的最大相對速度約200 mm/s。

因橫縫張開過大，可能危及上游止水結(jié)構(gòu)，設(shè)置阻尼器的目的主要是減小上游面的張開度，所以考慮在壩體上游面設(shè)置阻尼器，而從未設(shè)阻尼器時橫縫張開度的分布情況來看，壩體右側(cè)橫縫開度普遍較小，左側(cè)橫縫開度較大，尤其是15#、16#縫，不僅壩頂開度較大，且在第二、第三高程也出現(xiàn)了較大的張開。為此，設(shè)計院初步建議的阻尼器布設(shè)方案為：壩體左側(cè)的9#至17#縫壩頂上游側(cè)設(shè)置阻尼器，15#縫1120 高 程、1090高 程，16#縫1120 高程設(shè)置阻尼器，以上各位置均設(shè)置8 臺阻尼器，共布設(shè)阻尼器96臺，其總C 值為6.8×104 KN v0.08 。按此方案阻尼器對減少橫縫法向張開度是有效的，正常蓄水位橫縫最大張開度(16#縫)可由5.93 mm 下降到4.67 mm，下降27%；運行低水位橫縫 最 大 張 開 度(15#縫)由

8.95 mm下降到7.35 mm，下降22%。但是布設(shè)阻尼器而對壩體應(yīng)力狀態(tài)的影響很小，大壩的控制性主拉、壓應(yīng)力幾乎沒有變化。

2013年，抗震專題咨詢專家從增強拱壩穩(wěn)定性方面認(rèn)為大崗山拱壩可不設(shè)置抗震阻尼器，但考慮大崗山水電站未來遭遇強震可能性較大，建議在壩頂開度較大橫縫設(shè)置一定數(shù)量阻尼器，研究阻尼器抗震效應(yīng)，為將來應(yīng)用積累現(xiàn)場科研成果。設(shè)計院經(jīng)研究確定在幾個橫縫張開度較大的壩段布置阻尼器，最終在2#、14#、16# 3條橫縫每個斷面設(shè)置4臺2 500 kN抗震阻尼器，總共布置12臺阻尼器。

4.3阻尼器技術(shù)規(guī)格

阻尼器生產(chǎn)廠家根據(jù)設(shè)計要求提供的設(shè)計方案如下：

表1　大崗山水電站拱壩阻尼器技術(shù)規(guī)格表

圖2　大崗山水電站14#橫縫抗震阻尼器

4.3.1阻尼器材質(zhì)

阻尼器主要由活塞桿、銷軸、關(guān)節(jié)軸承、缸體、缸體防護(hù)、左右球鉸座等零部件組成，主要采取合金鋼材，表面通過鍍鋅及防腐涂裝處理。

4.3.2密封系統(tǒng)

密封系統(tǒng)是阻尼器性能的關(guān)鍵，為保證阻尼器在長期工作條件下密封性能，在動密封結(jié)構(gòu)設(shè)計中獨創(chuàng)性地采用了多重動密封結(jié)構(gòu)設(shè)計，大崗山抗震阻尼器結(jié)構(gòu)由兩重密封結(jié)構(gòu)組成，第一重是不銹鋼彈簧，能自動補償密封圈的磨損；另一重密封結(jié)構(gòu)為U型結(jié)構(gòu)密封件。

4.3.3阻尼介質(zhì)

目前國內(nèi)外阻尼器中的阻尼介質(zhì)幾乎都是采用硅油，主要因硅油具有比其它高分子合成材料更好的熱穩(wěn)定性及耐輻照和耐候能力，并且具有無毒、無腐蝕、難燃、電絕緣等優(yōu)異性能。

4.5阻尼器監(jiān)測

為保證阻尼器的可靠性，收集在地震過程中阻尼器的運行狀況，對阻尼器發(fā)揮的作用進(jìn)行評價，大崗山工程在設(shè)置阻尼器的同時也增加了阻尼器的健康監(jiān)測。監(jiān)測系統(tǒng)需對抗震阻尼器兩端的相對位移和加速度、抗震阻尼器活塞力、抗震阻尼器油缸的壓力和溫度等多種參量進(jìn)行采集、監(jiān)測、存儲、分析。

減振阻尼器健康監(jiān)測光纖傳感系統(tǒng)主要由光纖應(yīng)變計、溫度計、位移計和加速度計等光纖光柵傳感器和光纖傳感分析儀構(gòu)成。

圖3　光纖光柵傳感系統(tǒng)原理

光纖光柵傳感系統(tǒng)使用光纖作為測量元件和信號傳輸介質(zhì)，為提高光纖對溫度及應(yīng)力、應(yīng)變的敏感程度及準(zhǔn)確定位能力，采用國際最先進(jìn)的光纖局部加工技術(shù)，在普通單模光纖上制作一系列的溫度敏感區(qū)——光纖光柵，這些敏感區(qū)可以精確、靈敏地探測到周圍溫度的細(xì)微變化，而光纖的其他部分只是用于信號傳輸，對機械應(yīng)力和環(huán)境干擾不敏感，從而保證整個光纖光柵傳感系統(tǒng)的高靈敏性和可靠性。其基本原理是利用光纖光柵傳感器內(nèi)部敏感元件——光纖光柵反射的光學(xué)頻譜對溫度、應(yīng)力變形、振動的敏感特性，通過光纖傳感分析儀內(nèi)部各功能模塊完成對光纖光柵傳感器的輸入光源激勵/輸出光學(xué)頻譜分析和物理量換算，以數(shù)字方式給出各監(jiān)測點的物理量測量值，并根據(jù)預(yù)先設(shè)定的數(shù)據(jù)采集、存儲、處理機制和通信程式把信息匯集到監(jiān)測自動化系統(tǒng)。

5阻尼器的性能檢測

為確保阻尼器性能，大崗山公司要求廠家對所有阻尼器都要進(jìn)行自檢，并且在自檢合格的基礎(chǔ)上，又抽檢部分阻尼器送交廣州大學(xué)抗震中心進(jìn)行第三方檢測。結(jié)合大崗山工程特性設(shè)計檢測要求及標(biāo)準(zhǔn)如下：

圖4　阻尼器力-位移曲線

5.1總行程測試

在試驗機設(shè)備上作總行程測試，檢測是否滿足±50 mm的總行程要求。

5.2最大阻尼力測試

以最大設(shè)計荷載2 500 kN(最大速度0.4 m/s)對阻尼器施加5個完整的位移循環(huán)，檢測阻尼器能否滿足設(shè)計要求。

5.3阻尼力規(guī)律性測試(動力測試)

在簡諧振動荷載條件下，速度為最大設(shè)計速度的1%、5%、10%、20%、30%、40%、50%、75%、100%時，分別對抗震阻尼器各項數(shù)據(jù)進(jìn)行動力測試。大崗山拱壩基頻僅為11.7Hz，廣州大學(xué)根據(jù)要求開展了以下頻率阻尼力檢測：

5.4疲勞性能測試

圖5　阻尼力理論值與試驗值曲線

阻尼器以速度200 mm/s往復(fù)運動10周期，檢驗阻尼器的抗疲勞性能。

5.5頻率相關(guān)性測試

考察阻尼器在各種頻率下的性能情況，在最大速度下，以不同的頻率進(jìn)行測試。

5.6溫度相關(guān)性測試

根據(jù)大崗山實際氣溫情況，分別在-5 ℃、25 ℃、45 ℃的溫度下，對阻尼器溫度相關(guān)性進(jìn)行測試。

鑒于大崗山工程阻尼器設(shè)計的特殊性，為驗證阻尼器自身摩擦阻力，在以上檢測的基礎(chǔ)上又開展了慢速測試和摩擦力測試。

6結(jié)語

目前，水電工程抗震阻尼器尚無成功應(yīng)用的先例，大崗山水電站結(jié)合自身工程特點開展了探索性的試驗研究，設(shè)計并開發(fā)了短行程、低速度、大噸位的新型拱壩抗震阻尼器，并且通過自動監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)對阻尼器運行狀態(tài)的監(jiān)控，為研究水電站地震工況下阻尼器抗震效果創(chuàng)造了條件。“5·12”汶川地震以后，地震安全性問題越來越受關(guān)注，大崗山水電站地處高地震烈度區(qū)，工程抗震設(shè)防等級較高，因此開展阻尼器等抗震新技術(shù)研究具有十分重要的意義，研究成果將為今后水電工程拱壩抗震設(shè)計提供參考。

(責(zé)任編輯：卓政昌)

特別報道

曾憲(1987-)，女，四川遂寧人，畢業(yè)于華北電力大學(xué)自動化專業(yè)，助理工程師，主要從事水電工程建設(shè)管理工作；

吳楠(1985-)男，四川營山人，畢業(yè)于四川大學(xué)水利工程專業(yè)，工程師，主要從事水電工程建設(shè)管理工作.

作者簡介:

文章編號:1001-2184(2016)02-0115-04

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:B

中圖分類號:U211.9；TV741；O434.19

收稿日期:2016-03-23