山東省郯城縣土山攔河閘抗震動(dòng)力分析研究

【摘要】工程地處地震設(shè)計(jì)烈度8度區(qū)，建筑物級(jí)別為1級(jí)，故需采用動(dòng)力法進(jìn)行抗震驗(yàn)算。根據(jù)工程設(shè)計(jì)，建立了巖石、基礎(chǔ)、中墩、排架、閘機(jī)房為一體的數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值動(dòng)力模擬分析，以分析閘室不同部位的動(dòng)力響應(yīng)，并評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。為此采用三維有限元?jiǎng)恿r(shí)程法和振型分解反應(yīng)譜法，對(duì)閘室進(jìn)行了8度烈度地震作用下動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析；采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)閘室整體穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算分析。結(jié)果表明：結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和閘室整體穩(wěn)定，均滿足設(shè)計(jì)要求。

【關(guān)鍵詞】地震設(shè)計(jì)烈度8度；建筑物級(jí)別為1級(jí)；動(dòng)力法抗震驗(yàn)算

1、概述

1.1工程概況

土山攔河閘為大（1）型水利工程，位于山東省郯城縣境內(nèi)。工程的主要任務(wù)是調(diào)控、攔蓄沂河上游來(lái)水，同時(shí)兼有灌溉、防洪、交通等綜合效益。

建設(shè)項(xiàng)目主要包括：拆除重建攔河閘，重建攔河閘共39孔，每孔凈寬12m，閘室總寬528.80m；在左岸灘地新建交通橋，修復(fù)閘室右岸灘地漫水路；攔河閘上、下游護(hù)岸；拆除重建渠首引水閘；改建和完善工程管理設(shè)施等。

工程洪水標(biāo)準(zhǔn)為50年一遇洪水設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)洪水流量為8000m3/s；選取洪水流量10000m3/s作為校核條件。

主要建筑物閘室采用開(kāi)敞式鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，總凈寬468m，單孔凈寬12.0m，共39孔。其中左側(cè)22孔閘底板高程43.80m，右側(cè)17孔閘底板高程42.80m，并設(shè)高1m駝峰堰，中墩厚1.6m。弧形鋼質(zhì)工作閘門(mén)12×6.5m（寬×高），卷?yè)P(yáng)式啟閉機(jī)。閘上設(shè)二級(jí)公路橋，橋面寬7.5+2×0.5m。

1.1.1地質(zhì)

閘址區(qū)基巖為寒武系中厚層灰?guī)r，屬可溶性巖層。場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度一般受巖性及斷裂構(gòu)造所控制，同時(shí)還受到地表水及地下水等水文地質(zhì)條件所影響。根據(jù)本次地質(zhì)測(cè)繪結(jié)合鉆孔資料，閘址場(chǎng)地表層巖溶形態(tài)主要為溶隙、溶槽、溶溝等。閘址場(chǎng)地巖溶發(fā)育程度可分為表層強(qiáng)烈溶蝕風(fēng)化帶和裂隙性溶蝕風(fēng)化帶，其下部為巖溶不發(fā)育的微新巖體。

對(duì)閘基底板砼與基巖間進(jìn)行抗滑穩(wěn)定性復(fù)核，地基允許承載力1200kPa。

根據(jù)工程勘察報(bào)告，閘底板與基巖摩擦系數(shù)抗剪斷摩擦系數(shù)為0.7。

1.1.2計(jì)算力學(xué)參數(shù)

巖土體動(dòng)參數(shù)的選取，不僅與巖土介質(zhì)的顆粒大小、破碎程度、骨架結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，還與地震波的頻譜、加載速率等密切相關(guān)，通過(guò)少量實(shí)驗(yàn)獲得的巖體參數(shù)其代表性也難以保證。故本文采用規(guī)范中混凝土設(shè)計(jì)值及提供的巖土強(qiáng)度參數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，未考慮動(dòng)力作用對(duì)介質(zhì)參數(shù)的提高。

1.2地震荷載

1.2.1原理及方法

地震波的人工合成，即根據(jù)輸入地震反應(yīng)譜，模擬地震動(dòng)的時(shí)間過(guò)程，多用加速度圖表示。加速度時(shí)程為一非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，一般可用三角級(jí)數(shù)迭加法或自回歸滑動(dòng)平均模型模擬。

三角級(jí)數(shù)迭加法的基本思想是用一組三角級(jí)數(shù)構(gòu)造一個(gè)近似的平穩(wěn)高斯過(guò)程，然后再乘以強(qiáng)度包絡(luò)線得到一個(gè)非平穩(wěn)的加速度時(shí)程曲線。

1.2.2地震波荷載

根據(jù)《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2015），本工程場(chǎng)地的地震設(shè)計(jì)烈度按8度設(shè)防，土山攔河閘工程等別為Ⅰ等。根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97），應(yīng)采用動(dòng)力法計(jì)算。各種情況的荷載計(jì)算均依據(jù)加固后的閘門(mén)現(xiàn)狀。

其中自重采用實(shí)體材料模擬，靜水壓力、揚(yáng)壓力作為邊界力施加，地震時(shí)引起的動(dòng)水壓力采用下式施加：

按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-97）， 8度地震設(shè)防水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值取0.2g。豎向設(shè)計(jì)地震加速度的代表值應(yīng)取水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值的2/3。

水閘進(jìn)水塔及其他混凝土建筑物的動(dòng)力放大系數(shù)取2.25，場(chǎng)地特征周期0.25。按照設(shè)計(jì)反應(yīng)譜生成人工地震波，分別用于模擬水平向和豎向的地震震動(dòng)，每個(gè)方向各生成3條地震波。

1.3主要計(jì)算內(nèi)容

針對(duì)閘室建立三維數(shù)值模型，考慮設(shè)計(jì)中需要計(jì)算的外界荷載，綜合采用動(dòng)力時(shí)程法和振型分解反應(yīng)譜法，分別進(jìn)行了抗震穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算，對(duì)閘室進(jìn)行抗震計(jì)算分析。

2、閘室抗震動(dòng)力分析

根據(jù)工程設(shè)計(jì)，建立了巖石、基礎(chǔ)、中墩、排架、閘機(jī)房為一體的數(shù)值模型，進(jìn)行數(shù)值動(dòng)力模擬分析，以分析閘室不同部位的動(dòng)力響應(yīng)，并評(píng)價(jià)其穩(wěn)定性。

2.1模型建立

由于邊墩在橫河向一側(cè)受巖土介質(zhì)約束，另外一側(cè)與中墩相連，故認(rèn)為邊墩在地震作用下的力學(xué)影響比中墩要輕，所以選取中墩建立圖2所示數(shù)值模型。模型的底部高程取43m，兩側(cè)則取鋼閘門(mén)的中心線。閘機(jī)房由于內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在此簡(jiǎn)化為剛性塊處理，但其密度采用所需考慮的外荷載進(jìn)行等效計(jì)算，橫河向亦以鋼閘門(mén)的中線為界。

2.2載荷施加

考慮水壓力作用，正常蓄水條件下閘前水位為49.80m，采用靜水壓力等效的原則，按換算分布力，施加到計(jì)算模型的表面上，方向垂直模型表面指向模型內(nèi)部。

在中墩上表面前部需要施加均布?jí)毫Γ阅M機(jī)架橋荷載。

地震荷載地震波施加于模型底部的水平順河向，以地震波的2/3施加于模型垂直向，波的傳播方向垂直向上。邊界采用粘彈性邊界。Z方向?yàn)楦叨确较颍琘方向?yàn)轫樅酉颍琗方向?yàn)樗l軸線方向。

2.3閘室動(dòng)力響應(yīng)分析

2.3.1中墩動(dòng)力響應(yīng)

由于中墩剛度很大，故在地震作用下基本保持整體運(yùn)動(dòng)，其最大相對(duì)位移為0.067mm。中墩最大水平向加速度時(shí)程約為1.3m/s2，各點(diǎn)趨勢(shì)基本相同。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，中墩的最大壓力約為719kPa，最大拉應(yīng)力約為332kPa，未超過(guò)混凝土的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，強(qiáng)度滿足要求。

2.3.2排架動(dòng)力響應(yīng)

由于排架在豎直方向上為細(xì)長(zhǎng)結(jié)構(gòu)，在8度地震作用下，其在順河向（Y）產(chǎn)生了約3mm的絕對(duì)變形，橫河向（X）產(chǎn)生了0.66mm的變形，豎直向產(chǎn)生了1.1mm的變形。排架位移自下而上依次是逐步增加的，表明排架的位移放大效應(yīng)較為明顯，是受地震影響較為強(qiáng)烈的部位。

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，在8度地震作用下，順河向排架的最大加速度為3.07m/s2。排架不同位置處的加速度時(shí)程也是有明顯區(qū)別的，從排擠底部到排架頂部加速度時(shí)程峰值是不斷增加的。與排架底部相比，中部的質(zhì)點(diǎn)加速度幅值提高約50%，而排架頂部點(diǎn)則增加120%左右。

在整個(gè)地震作用過(guò)程中，排架內(nèi)的最大壓應(yīng)力約為7.05MPa，拉應(yīng)力則在1.4MPa內(nèi)波動(dòng)，未超過(guò)規(guī)范設(shè)計(jì)參數(shù)要求。

2.3.3閘機(jī)房動(dòng)力響應(yīng)

與排架底部相比，閘機(jī)房的動(dòng)力放大效應(yīng)可放大3.0倍以上，但整體加速度比較均勻，水平向峰值加速度約為3.7m/s2。

閘機(jī)房最大主應(yīng)力時(shí)程顯示最大動(dòng)壓應(yīng)力可達(dá)3.07MPa，最大拉應(yīng)力可達(dá)1.92MPa，不能排除地震時(shí)局部位置出現(xiàn)裂隙擴(kuò)展的可能性。

2.3.4 基礎(chǔ)動(dòng)力響應(yīng)

在地震作用下基礎(chǔ)上各點(diǎn)的加速度時(shí)程、位移時(shí)程等基本都是一致的，這說(shuō)明基礎(chǔ)受動(dòng)力影響不大。基礎(chǔ)內(nèi)出現(xiàn)的最大主壓應(yīng)力在0.52MPa左右，最大拉應(yīng)力不超過(guò)0.1MPa，小于基礎(chǔ)混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，不會(huì)出現(xiàn)大量塑性區(qū)。

2.4 閘室動(dòng)力反應(yīng)譜分析

根據(jù)《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL203-1997），采用振型分解反應(yīng)譜法進(jìn)行分析。

2.4.1 計(jì)算模型

計(jì)算模型采用上述三維計(jì)算模型，先進(jìn)行自振頻率的計(jì)算，然后再進(jìn)行規(guī)范反應(yīng)譜的分析，反應(yīng)譜如圖3所示。

非線性動(dòng)力有限元仿真分析軟件ADINA中對(duì)結(jié)構(gòu)的自振頻率和振動(dòng)模態(tài)的計(jì)算公式為：

2.4.2 計(jì)算結(jié)果分析

為提高計(jì)算的精度，并充分考慮本水閘的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，本次計(jì)算中考慮了前10階振型的影響，水閘阻尼為5%。表2為水閘前10階振型的自振頻率。

由于各振型頻率相差較大，故采用平方和方根法（SRSS）進(jìn)行水平向和豎向地震作用效應(yīng)分析。

從振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算結(jié)果中同樣可以看出，對(duì)于各構(gòu)件而言，在地震作用下，基礎(chǔ)與中墩的動(dòng)力影響相對(duì)比較小，而排架與閘機(jī)房的動(dòng)力響應(yīng)比較明顯，動(dòng)力放大作用明顯，其在地震荷載作用下是水閘結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)。從應(yīng)力角度來(lái)看，水閘結(jié)構(gòu)的最大主應(yīng)力值出現(xiàn)在排架上，約為7.28MPa，小于混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，強(qiáng)度滿足要求。

2.5 閘室整體穩(wěn)定分析

采用有限元強(qiáng)度折減法進(jìn)行閘室整體穩(wěn)定分析基本原理，就是將閘室與地基接觸面的材料強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減，同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)F，得到一組新的強(qiáng)度參數(shù)值，然后輸入折減后的強(qiáng)度參數(shù)，再進(jìn)行試算，直至達(dá)到極限平衡狀態(tài)（發(fā)生剪切破壞），此時(shí)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)F即為最小安全系數(shù)。本次計(jì)算中采用的破壞標(biāo)準(zhǔn)是：根據(jù)計(jì)算域內(nèi)某一部位的位移與折減系數(shù)之間關(guān)系曲線的變化特征確定失穩(wěn)狀態(tài)，如當(dāng)折減系數(shù)增大到某一特定值時(shí)，某一部位的位移突然增大，則認(rèn)為閘室發(fā)生失穩(wěn)。

由強(qiáng)度折減系數(shù)與閘底相對(duì)位移之間的關(guān)系曲線圖4可以看出，隨著閘室與地基接觸面材料強(qiáng)度參數(shù)的折減，閘底相對(duì)位移是逐漸增大的，強(qiáng)度折減較小時(shí)位移增大程度較小，當(dāng)折減系數(shù)減小至0.286左右時(shí)，閘底相對(duì)位移迅速增大，從曲線上將出現(xiàn)了陡降，表明在此之前閘室仍處于穩(wěn)定狀態(tài)，超過(guò)之后閘室將出現(xiàn)整體滑動(dòng)。因此，本次計(jì)算中得到的閘室整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為3.5。

3 、主要研究結(jié)論

分別采用三維有限元?jiǎng)恿r(shí)程法和振型分解反應(yīng)譜法，對(duì)土山閘閘室進(jìn)行了8度烈度地震作用下動(dòng)力響應(yīng)計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明：閘室基礎(chǔ)與中墩整體性較好，動(dòng)力響應(yīng)較小，排架和上部閘機(jī)房是地震影響較為強(qiáng)烈的部位，地震作用下整體結(jié)構(gòu)的最大壓應(yīng)力出現(xiàn)在排架上，約為7.28MPa，小于混凝土強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

采用有限元強(qiáng)度折減法對(duì)閘室整體穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，計(jì)算結(jié)果表明在8度烈度地震作用下，閘室整體是穩(wěn)定的，其安全系數(shù)為3.5，滿足設(shè)計(jì)要求。

參考文獻(xiàn)：

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[4]山東省郯城縣土山攔河閘除險(xiǎn)加固工程初步設(shè)計(jì)報(bào)告.審定本.臨沂市：山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院，2014.

作者簡(jiǎn)介：劉剛 男 1964.2 大學(xué) 漢族 山東青州人 高級(jí)工程師 水工設(shè)計(jì) 山東省臨沂市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院.