高揚程升船機不同壁厚塔柱結構的抗震性能分析*

鄧運倜,陶桂蘭,張毅濠,吳俊東

(1.中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 200032；2.河海大學 港口海岸與近海工程學院，江蘇 南京 210098；3.長江勘測規劃設計研究院，湖北 武漢 430010)

水運具有“占地少、成本低、能耗小、污染輕、運能大、效益高”等優勢，能為我國西部大開發、中部崛起和東部率先發展以及長江經濟帶建設做出巨大貢獻。目前世界上建成的200米級以上特高壩已達77座，我國有20座。隨著我國高壩水利樞紐的建設和內河水運的快速發展，升船機的建設倍受人們的關注。與其它類型荷載相比，地震荷載發生頻率低、強度大、隨機性強，在大型垂直升船機塔柱結構的動力計算中往往起重要作用。高揚程垂直升船機塔柱結構在地震荷載作用下會產生動力響應，最終可能因結構強度不足及塔柱頂部變形過大而破壞，或聯系梁損壞等[1]。因此，為了保證河流的正常通航并提高河流的通航能力，迫切需要對高壩水利樞紐上建設高水頭通航建筑物開展相關技術研究。

楊勇等[2]、陳厚群等[3]、蔣凱[4]分別對景洪升船機塔樓結構、三峽升船機塔柱結構、向家壩升船機塔柱結構進行了相關研究，得出了一些很有價值的結論，但是目前對高揚程升船機不同壁厚塔柱結構的抗震性能研究較少。本文在設計單位提出的200米級高揚程塔柱結構形式基礎上提出變壁厚塔柱結構形式，利用ABAQUS建立塔柱結構有限元模型，采用動力時程法對結構開展相關動力響應對比分析，對其進行了抗震性能評價。

1 高揚程升船機塔柱結構形式及有限元模型

1.1 工程概況

擬建的水電站工程為白鶴灘水電站，位于四川省金沙江峽谷。白鶴灘水電站是金沙江下游干流河段梯級開發的第2個梯級電站，具有以發電為主，兼有防洪、攔沙、改善下游航運條件和發展庫區通航等綜合效益[5]。配套的升船機為200米級全平衡鋼絲繩卷揚垂直升船機，設計船型為3 000噸級貨船。船廂室結構由基礎、承重塔柱和上部機房3部分組成，結構總長141.7 m、總寬55.6 m、總建筑高度240.3 m。承重塔柱對稱布置在船廂室的兩側；塔柱底部與筏形基礎聯為整體；頂部通過梁板結構連接，構成上部主機房的基礎。整個船廂室結構形成巨型框架結構體系。

承船廂水域總尺寸為115 m×18.4 m×4.7 m，初步計算出船廂內水體質量為10 300 t，通過類比分析初估船廂結構質量7 200 t，承船廂帶水總質量為17 500 t，平衡重懸吊系統總質量為17 500 t。

根據承船廂、平衡重、主提升設備布置要求及運行條件，承重塔柱結構采用鋼筋混凝土全筒式結構。筒體在平面上左右兩列對稱布置，每列為一個整體筒體，筒體長141.7 m、寬15 m，2個筒體頂部由11根主橫梁連接。

200米級高揚程升船機所處峽谷地形不對稱、巖性十分復雜、巖質的特征為“硬、脆、碎”，且為高地震烈度等環境，該地址基本烈度為8度。

1.2 塔柱結構形式

本文基于設計單位提出的200米級高揚程升船機固定壁厚塔柱結構形式，以混凝土用量一致為原則，擬定變壁厚塔柱結構形式。采用有限元軟件ABAQUS，分別建立了固定壁厚和變壁厚兩種塔柱結構有限元模型。

1.2.1固定壁厚塔柱結構

升船機塔柱模型包括了地基、筏形基礎、擋土墻、塔柱、頂板。塔柱結構形式從塔柱頂部至底部采用固定壁厚形式，塔柱寬度為15 m，塔柱總高度為240.3 m，底部至頂部的塔柱壁厚均為1.2 m，底部以下為8.5 m厚筏形基礎，擋土墻高度為44.6 m，橫向聯系梁設置于塔柱頂部，長25.6 m、高2 m、寬1.2 m。

1.2.2變壁厚塔柱結構

變壁厚塔柱結構模型是在固定壁厚塔柱結構模型的基礎上，以混凝土用量一致為原則提出的比較方案。根據文獻[6]，塔柱壁厚由底部沿著頂部逐步減薄，塔柱寬度和高度與固定壁厚塔柱結構一致；571.6～618.0 m高度范圍壁厚為1.7 m，高度618.0～717.4 m壁厚為1.3 m，高度717.4 m以上壁厚為1.0 m；底部以下為8.5 m厚的筏形基礎，塔柱橫向聯系梁的長、高和固定壁厚塔柱結構一致。塔柱結構立面和平面見圖1、2。

圖1 塔柱結構立面(單位：m)

圖2 塔柱結構1-1截面(單位：m)

1.3 塔柱結構有限元模型

固定壁厚、變壁厚塔柱結構的船廂室和地基均采用8節點六面體實體單元，地基模擬范圍以船廂室輪廓為界，向上下游方向、左右兩側和深度方向各延伸1倍塔柱高度，即240.3 m。兩種模型的塔柱結構、地基的網格密度分別為1.2、55.6 m，固定壁厚塔柱結構共劃分單元243 429個，變壁厚塔柱結構共劃分單元188 632個，塔柱結構有限元模型見圖3。

圖3 塔柱結構有限元模型

固定壁厚、變壁厚塔柱結構的地基邊界條件為：底面全部約束，各側面均采用法向約束。邊界條件施加過程中，對地基底面施加全約束，對地基各側面施加法向約束。如圖3所示，模型采用的坐標系統為：順河向為X軸(縱向)，橫河向為Y軸(橫向)，垂直向上為Z軸，坐標原點為右塔柱結構上游角點。

2 塔柱結構的抗震性能分析

2.1 計算工況與計算參數分析

2.1.1計算工況

根據GB 51177—2016《升船機設計規范》[7]規定：升船機抗震設計參考SL 203《水工建筑物抗震設計規范》[8]，依據白鶴灘水電站壩址設計地震動參數復核報告評審意見，地震動的峰值加速度取0.282g。

本文研究的200米級高揚程升船機塔柱結構的計算荷載包括塔柱結構自重、設備荷載、風荷載和地震荷載。設備荷載以附加質量的方式施加在塔柱結構上；風荷載計算參考GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》[9]和GB 50135—2006《高聳結構設計規范》[10]，計算得基本風壓W0=0.45 kN/m2,以三角形分布壓強的形式作用于塔柱結構橫河向。計算工況考慮最不利情況，即考慮水平地震荷載、自重荷載、風荷載、豎向地震荷載共同作用，參考NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設計規范》[11]有關規定，豎向地震動峰值加速度的代表值取水平向地震動峰值加速度的2/3，考慮到塔柱結構橫向剛度明顯小于縱向剛度，水平地震荷載按橫向水平地震輸入考慮，輸入方式采用無質量地基模型的塔柱結構底部輸入[12]。

2.1.2計算參數

升船機基礎地址處于玄武巖區，對基巖分層考慮，各層平均靜態模量取11 GPa[13]，泊松比為0.23，承船廂室和地基均采用線彈性模型，動彈性模量較其靜彈性模量提高30%，結構阻尼比5%。塔柱結構計算參數見表1。

表1 塔柱結構計算參數

本文利用GB 50011—2010《建筑抗震設計規范》[14]反應譜程序Simqke_gr程序生成3條人工地震波(相關系數不大于0.3)。3條人工地震波的持續時間取20 s，計算的時間間隔為0.02 s，3條人工地震波加速度時程曲線見圖4。

圖4 人工地震波加速度時程曲線

2.2 固定壁厚塔柱結構抗震性能分析

在塔柱的頂部、底部設置了2個參考點A、B(圖1)，將它們作為塔柱結構位移、加速度響應的研究對象。應力響應取左塔柱結構的2個截面，分別為圖2中的2-2、3-3截面。應力研究采用第一強度理論和第四強度理論。

2.2.1位移響應

由圖5可知，不同地震波作用下，固定壁厚塔柱結構在水平和豎向地震共同作用下頂部參考點A的橫向最大位移分別是-32.7、38.5、-36.3 cm，根據JGJ 3—2010《高層建筑混凝土結構技術規程》[15]，該結構水平位移限值為46.3 cm，最大位移滿足規范限值。

圖5 固定壁厚塔柱結構頂部的位移時程曲線

2.2.2加速度響應

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱加速度響應最大，加速度時程曲線見圖6。

圖6 固定壁厚塔柱結構加速度時程曲線

3條地震波作用下，塔柱結構頂部參考點A的橫向最大加速度分別為5.701、-6.650、6.295 m/s2,底部參考點B的橫向最大加速度分別為-2.712、2.805、2.387 m/s2。頂部參考點A的橫向最大加速度分別為底部參考點B的2.10、2.37、2.64倍。

2.2.3應力響應

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱結構筏形基礎主應力最大，由于塔柱結構自重，筏形基礎與塔柱結構交界面出現了壓應力集中的現象，在3條地震波作用下，最大動壓應力分別為1.935、2.191、2.024 MPa。由于橫河向及豎向地震、塔柱筒體自重和正向風荷載作用，筏形基礎左右、中間部分及筒體內部區域出現了拉應力集中，在3條地震波作用下，最大動拉應力分別為4.732、5.224、4.985 MPa。筏形基礎產生的最大動拉應力分別是最大動壓應力的2.45、2.46、2.38倍，已經超過C30混凝土抗拉強度，需要提高混凝土強度和加強配筋，需特別注意的是筏形基礎的左右、中間部分及筒體內部的配筋。

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱結構截面等效應力最大，主應力云圖見圖7。

在3條地震波作用下，固定壁厚塔柱結構2-2、3-3截面的等效應力最大值出現在斷面與擋土墻接觸區域，分別為52.18、56.61、54.29 MPa和44.27、49.55、48.76 MPa。這是由于此處為擋土墻與上部塔柱結構交界面，該區域易出現應力集中現象，須適當增大該交界面塔柱截面寬度，并根據結構受力配置受拉鋼筋等。

2.3 變壁厚塔柱結構抗震性能分析

2.3.1位移響應

不同地震波作用下變壁厚塔柱結構頂部的位移時程曲線見圖8。

在橫向和豎向地震共同作用下，變壁厚塔柱頂部參考點A的橫向最大位移分別為-28.4、34.7、32.6 cm，最大位移均滿足規范限值。

圖8 變壁厚塔柱結構頂部的時程位移曲線

2.3.2加速度響應

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱加速度響應最大，加速度時程曲線見圖9。

圖9 變壁厚塔柱結構加速度時程曲線

3條地震波作用下，塔柱結構頂部參考點A的橫向最大加速度分別為5.684、-6.790、6.382 m/s2,底部參考點B的橫向最大加速度分別為-2.763、2.804、2.524 m/s2,塔柱頂部參考點A的橫向最大加速度分別為底部參考點B的2.06、2.42、2.53倍。

2.3.3應力響應

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱結構筏形基礎主應力最大，由于塔柱結構自重，筏形基礎與塔柱結構交界面出現了壓應力集中，在3條地震波作用下，最大動壓應力分別為1.462、1.774、1.594 MPa，由于橫河向及豎向地震、塔柱結構自重和正向風荷載作用，筏形基礎左右、中間部分及筒體內部區域出現了拉應力集中，在3條地震波作用下，最大動拉應力分別為3.443、3.918、3.716 MPa，同樣也已經超過混凝土抗拉強度，需要提高混凝土強度和加強配筋。

3條地震波中，地震波2作用下的塔柱結構截面等效應力最大，主應力云圖見圖10。

在3條地震波作用下，變壁厚塔柱結構2-2、3-3截面的等效應力最大值出現在截面與擋土墻接觸區域，分別為44.89、49.61、47.86 MPa和40.13、44.03、42.27 MPa，須適當增大塔柱與擋土墻交界面塔柱截面寬度，并根據結構受力配置受拉鋼筋等措施。

圖10 變壁厚塔柱結構截面最大等效應力

2.4 兩種不同塔柱結構形式的抗震性能比較分析

2.4.1位移響應對比分析

變壁厚和固定壁厚塔柱結構頂部最大位移響應對比見表2。

表2 不同塔柱結構頂部最大位移 cm

兩種塔柱結構形式的頂部最大位移都滿足《高層建筑混凝土結構技術規程的規定》要求。變壁厚塔柱結構頂部所產生的最大位移值都比固定壁厚塔柱結構小，分別減少了13.1%、9.9%、10.2%。因此在位移響應方面，變壁厚塔柱結構形式比固定壁厚塔柱結構形式更優。

2.4.2加速度響應對比分析

變壁厚和固定壁厚塔柱結構頂部最大加速度響應對比見表3。

表3 不同塔柱結構頂部最大加速度 m/s2

對于頂部橫向最大加速度，在地震波2和地震波3作用下，變壁厚塔柱結構比固定壁厚要大，分別大2.1%、1.4%；在地震波1作用下，變壁厚塔柱結構比固定壁厚要小0.3%。因此，在加速度響應方面，固定壁厚塔柱結構形式比變壁厚塔柱結構形式略優。

2.4.3應力響應對比分析

變壁厚和固定壁厚塔柱結構筏形基礎最大拉、壓應力響應和塔柱結構截面等效應力對比見表4。

變壁厚塔柱結構筏形基礎最大拉壓力比固定壁厚塔柱結構小25%，最大壓力小19%。變壁厚塔柱結構各截面的最大等效應力值比固定壁厚塔柱結構要小，其中2-2截面小12.4%，3-3截面小11.1%。因此，在應力響應方面，變壁厚塔柱結構形式比固定厚塔柱結構形式更優。

通過比較兩種塔柱結構形式的最大位移、加速度、筏形基礎應力響應、截面等效應力，可以得出雖然變壁厚塔柱結構的頂部橫向最大加速度略大于固定壁厚塔柱結構，但是變壁厚塔柱結構的頂部最大位移，筏形基礎的最大拉、壓應力，截面最大等效應力均比固定壁厚要小得多，優勢明顯，故選用變壁厚塔柱結構形式更合適。

3 結論

1)在自重荷載、風荷載和8度地震作用下，固定壁厚塔柱結構和變壁厚塔柱結構的頂部最大位移分別為32.3、29.5 cm，均滿足規范限值。

2)兩種塔柱結構在各工況下的頂部加速度比底部加速度大，呈現加速度放大效應，放大2倍左右。

3)筏形基礎與塔柱結構交界面出現了壓應力集中，筏形基礎左右、中間部分及筒體內部區域出現了拉應力集中，固定壁厚形式和變壁厚形式最大動拉應力分別為5.224、3.918 MPa。塔柱截面和擋土墻接觸處易發生應力集中，固定壁厚形式和變壁厚形式最大等效應力分別為56.61、49.61 MPa。

4)雖然變壁厚塔柱結構的頂部橫向最大加速度略大于固定壁厚塔柱結構，但是變壁厚塔柱結構的頂部最大位移，筏形基礎的最大拉、壓應力，截面最大等效應力均比固定壁厚要小得多，優勢明顯，故變壁厚塔柱結構形式更優。