強震區水閘地震反應三維非線性分析

孫衛 李曉彬 程瑞林 邱煥峰

摘 要：文章結合地處強震區的大型水閘，運用有限元分析軟件，建立閘室整體結構計算模型。采用振型分解反應譜法，計算出閘室結構在校核工況下的靜動組合應力和應變，分析閘室結構各部位的應力變化規律及其自振特性，探討地震作用對閘室整體結構的影響，為水閘的抗震設計提供參考。研究閘室上部的框架結構采用不同構筑材料時，閘室結構的內力和變形分布規律，并對兩種方案的計算結果進行比較分析。結果表明，閘室上部框架結構采用輕質鋼時，閘室結構受力狀態明顯改善。

關鍵詞：有限元 反應譜 抗震設計

1.閘室結構動力計算

（1）計算模型

建立水閘整體有限元計算模型，考慮閘墩、底板與地基的相互作用。閘室底板跨中分縫，縫寬0.02m，所以取其中一孔閘室和一定范圍的地基（在橫河向水平向延伸20m，順河向水平延伸20m，豎直方向，從底板向下延伸20m）作為一個整體結構，進行有限元網格剖分。閘室和基礎均采用8節點等參單元，閘室底板與地基之間設一層接觸單元，剖分后的空間有限元網格如圖1所示。坐標系的0點設在上游端右側閘墩底部，X軸沿橫河向指向右岸，Y軸沿鉛直方向指向上方，Z軸沿順河流方向指向下。

（2）材料性質

該閘室的閘墩內側、閘室底板混凝土強度等級采用 C15，閘墩外側、排架混凝土強度等級采用C30，閘室的地基為鈣質頁巖。

（3）計算參數

該水閘工程按9度設防，場地類別Ⅱ類，根據《水工建筑物抗震設計規范》（NB 35047-2015）規定，水閘的地震加速度α=0.4g，反應周期Tg=0.3s，

水閘的設計反應譜最大代表值βmax=2.25，阻尼比ξ=0.05。

（4）計算方案

方案一：閘墩上部的啟閉機房采用鋼筋混凝土結構。

方案二：閘墩上部的啟閉機房采用輕質鋼結構。

（5）計算荷載及計算工況

閘室上的主要荷載有：閘室自重和永久設備自重、水重、水平水壓力、揚壓力、地震荷載等。閘室結構動力分析取校核工況（正常工況+9度地震）進行計算。

2.動力計算結果及分析

對閘室結構在不同方案下進行動力分析，閘室結構的應力及位移計算結果分別見表1和表2。

經過對應力圖和位移圖進行分析，計算成果表明：（1）方案一校核工況下閘室結構的最大壓應力值為1.626MPa，最大拉應力值為1.5 3 4M Pa，最大主應力值為2.210MPa（拉應力），最大位移值為6.306mm；方案二校核工況下閘室結構的最大壓應力值為1.635MPa，最大拉應力值為1.368MPa，最大主應力值為1.866 MPa（拉應力），最大位移值為4.970mm。（2）方案一的閘室結構受力狀態相對于方案二而言，閘室結構的受力狀態較差。因此在工程抗震設計時，應盡可能地減少閘室上部結構的重量，以減小地震荷載對閘室結構的影響；在校核工況下，由于地震的作用，閘室結構出現了較大的拉應力和動位移，排架柱根部，閘墩底部，拉應力值較大，最大壓應力值有所減小。相對于其它工況，閘室結構的受力狀態最為不利，在工程設計時應以校核工況為設計控制工況。（3）在校核工況下，方案一中閘室結構的排架柱，閘墩等重要部位的最大拉應力值>混凝土強度的規范允許值，因此在工程設計時，需對這些重要部位配筋，或采取加大截面尺寸、提高混凝土強度標號等措施，使閘室結構的抗震能力滿足要求，確保其在地震作用下安全。

3.閘室整體結構模態分析

對閘室整體進行模態分析，計算出閘室前5階自振頻率、周期及振型參與系數，具體情況見表3。

閘室前4階振型圖（振型圖不代表閘室結構的實際位移，只表示振動的形態）如圖1～圖4所示。

圖1～圖4可表明：

（1）在第一階振型圖中，閘墩及排架均向外側彎曲，在第二階振型圖中，閘墩及排架均向右側彎曲，在第三階振型圖中，閘墩及排架向左側彎曲，第四階振型圖中，閘墩及排架向左扭轉。

（2）在垂直河流的方向，閘室的振動較為明顯，閘室出現了彎曲、扭轉等變形；在順河流方向，閘室的振動較小。

4.結束語

綜上所述，得出以下結論：

（1）在地震作用下，排架柱的根部出現了較大的拉應力，閘墩底部也出現了拉應力，排架頂部變形最大。閘室上部啟閉機房采用輕質鋼結構時，閘室結構受力狀態明顯改善。

（2）閘室頂部重量越大，則地震引起的慣性力（地震力）也越大，工作橋越高，地震反應也越大。因此應盡量降低工作橋高度，減少橋頂部重量。如工程實際允許，應取消其上部排架、機架橋、啟閉機房等結構，閘門開啟采用液壓啟閉方式，這樣閘墩上部的豎向荷載大幅度降低，閘室結構的抗震性能將明顯改善。

（3）閘室結構的模態分析結果表明：水閘的閘墩及上部排架在橫河向出現了較為明顯的彎曲、扭轉等變形，在順河向方向和豎直方向變形較小。究其原因，在橫河向方向，閘墩的剛度最小，在順河向方向和豎直方向，閘墩的剛度相對較大。

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