尺寸設計參數對攔污柵結構動力響應特征分析

曹 洋，王 逸，邵雨辰

(1.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210000；2.南京市高淳區水務局固城水務站，江蘇 南京 211300)

水資源建設開發利用離不開水工結構工程，為高效長期穩定利用水資源，水工結構工程安全穩定性勢必較為重要，而考慮安全穩定性不僅僅需要研究靜力荷載下，對動力荷載下尤為重要[1- 3]。水工結構設計時必須要考慮抗震性能，而動力響應特征由于水工結構的設計尺寸參數息息相關，因而研究水利工程中結構動力響應影響特征具有重要意義[4- 5]。國內外一些學者基于室內振動臺試驗，開展水工建筑結構動力響應破壞試驗分析，研究結構地震荷載下破壞狀態，為水利工程抗震設計提供重要參考[6- 8]。也有一部分學者基于現場長期監測過程中所獲得實測數據，分析工程運營過程中數據之間聯系，預判結構動力響應下失穩臨界點[9- 10]。當然，很多學者基于非線性仿真軟件，結合實際工程資料，計算獲得地震荷載下水工結構動力響應特征，亦是一種探討水利工程抗震性能較好的方法[11- 12]。本文將以實測反應譜值為地震荷載模擬施加約束條件，研究計算不同尺寸設計參數下水工結構動力響應應特征。

1 工程概況

某水電站樞紐工程建設主要面向地區電力供應以及農業灌區水資源調度，在枯水季可承擔地區農田灌溉面積超過1000km2，另通過上游蓄水庫水資源調度可實現下游農村生活用水常年缺水率為0，是地區水資源調控重要水工設施。該樞紐工程上游蓄水庫最高水位可達579m，設計洪水位為594m，總庫容設計為6000萬m3，樞紐工程建設包括有重力拱壩以及泄洪閘等組成結構，其中拱壩高程達 677.5m，壩體軸向長度約為270m，建有輸水隧洞，為灌區輸水渠道提供水資源通道，渠首流量設計為0.65m3/s，干渠總長度約為125km，以模袋式混凝土作為襯砌形式，保證輸水渠道安全穩定性。另一方面，引水隧洞為發電廠房提供水利動力，共裝機750MW，采用岸塔式進水形式，進水塔頂部高程為582.5m，塔實際高度為73m，順河道方向上進水塔寬度為30m，建設有5個分段式進水孔，每個進水孔均設置有尺寸為5.5m×18m的框架是攔污柵結構，此可減弱上游泥沙在塔前淤積影響，為廠房發電提供重要排沙、排污作用，進水塔攔污柵墩結構穩定性關乎著水電站的安全運營，此即為本文研究對象。在攔污柵下游設置有2個出水口，每個出水口設計為6.5m×11m，均采用平面鋼閘門作為出水口流量調控設施，閘門尺寸與出水口為一致；進水塔攔污柵的承重結構為支撐排墩，每根柵墩均鋼筋混凝土一體式澆筑形成，各根柵墩之間間隔為4.5m，以連系梁作為彼此荷載傳遞構件，而連系梁共鋪設有橫、縱梁，其中橫梁尺寸初步設計為1m×0.6m，布設在柵墩連系梁的河道水流垂直方向，縱梁為1m×1m，順河道方向與橫梁垂直，由于橫、縱梁結構對柵墩的結構安全性具有較大影響，其設計參數尤為重要，特別是在地震作用下，水電站抗震能力與柵墩結構連系梁密切相關。進水塔攔污柵整體結構如圖1所示。

圖1 進水塔攔污柵結構圖

為準確評價該水工結構工程動力安全穩定性，針對該工程開展工程地質調查分析，區域內活躍地質構造發育較少，僅在上游河流左岸坡延伸有一定長度向斜地質構造帶，實測地質構造剖面長度為1.2km，局部破碎帶夾有泥質膠結灰巖，表面出露巖石受風化影響較強，巖角已出現粉末狀。樞紐工程所在表面覆蓋土層為第四系人工填土，分布范圍較廣，厚度僅為1.25km，但相比農業灌區內種植土，該人工填土含水量較低，松散性較高，顆粒分選較好。另在填土層下方鉆孔得知為砂礫土，粒徑最大為6.2mm，顆粒磨圓度較高，析水性較強，其主要為上游河流經搬運沉積形成，農業輸水干渠持力層以及水電站管理廠房等均以該土層為持力層。基巖為弱風化灰巖，表面無明顯孔隙，室內土工試驗測試靜水壓力滲透率低于10-18m2，局部巖芯夾有泥質膠結物，室內單軸破壞亦是在軟弱膠結物處產生應力集中斷裂。在上述工程資料分析基礎上，引入各巖土材料參數至有限元仿真計算模型中，并施加地震荷載作用，以反應譜法疊加動力荷載，根據不同柵墩連系梁設計尺寸方案，分別計算獲得進水塔攔污柵墩結構動力響應特征。

2 連系梁尺寸對柵墩結構動力響應影響特征

2.1 模型建立與荷載參數

為準確模擬計算出進水塔墩連系梁動力特性受設計參數影響特征，本文仿真模型包括有進水塔以下15m地基，模型以六面體為基本單元體，體現模型變形自由度，共獲得單元總數198738個，節點數96538個，所建立進水塔整體仿真模型如圖2(a)所示，另單獨給出進水塔結構有限元模型如圖2(b)所示。有限元模型中空間坐標體系x、y、z正方向分別為水流右側垂線方向、順水流向、向上豎向。限于篇幅，本文考慮影響進水塔攔污柵墩結構動力響應特征的連系梁尺寸參數，就不同設計參數方案分別開展影響性計算研究。

圖2 有限元仿真模型

邊界約束荷載考慮進水塔結構自重，外荷載為地震動作用，以擬靜力法考慮將地震動作用分為慣性力與動水壓力影響。其中慣性力以反應譜作為荷載確認，本文地震動反應譜以工程現場實測值作為施加荷載，其具體測量反應譜圖如圖3所示，分解成進水塔空間體系中3個方向，分別作用在結構模型節點上。動水壓力按照式(1)計算[13- 15]，并施加在進水塔地基結構體系中。

圖3 加速度反應譜實測值

(1)

式中，H—深度；Zi、Ai—壩基距離與截面積。

2.2 連系梁截面高度

為研究連系梁截面尺寸設計參數對柵墩結構體系動力影響特性，為此設置不同截面高度研究工況，分別為0.6、0.8、1、1.2m，另截面跨度、長度均保持為5.5m和0.6m，典型設計方案幾何截面示意圖如圖4所示。

圖4 典型設計方案連系梁幾何截面示意圖(不同高度)

2.2.1應力響應特征

基于有限元仿真計算，獲得連系梁不同設計高度下柵墩體系結構拉應力變化特征，如圖5所示。

從圖中可知，橫、縱梁拉應力受截面高度影響顯著，當截面高度增大時，橫梁軸向拉應力顯著減低，較大的截面高度可抑制橫梁拉應力發展，截面高度0.6m是最大拉應力為16.7MPa，而截面高度1.2m時最大拉應力相比前者降低了23.1%；縱梁拉應力隨截面高度增大有所漲幅，特別是在截面高度0.8m后，拉應力最大值增大趨勢才顯著，截面高度1.2m下最大拉應力相比高度0.8m時，增大幅度為7.7%。柵墩第三主應力隨連系梁截面高度稍有降幅，但趨勢并不顯著，即柵墩第三主應力分布受截面高度影響較弱。從拉應力表現結果來看，連系梁截面高度設計參數主要可降低橫梁拉應力量值，對縱梁拉應力影響在截面高度0.8m后顯著，柵墩第三主應力不受截面高度設計參數影響。

圖5 柵墩體系結構拉應力變化特征(不同截面高度)

2.2.2位移特征

圖6為計算獲得不同截面高度下柵墩各方向位移特征，從圖中可知，柵墩y、z向與連系梁截面高度并無顯著關系，各高度方案下位移均保持一致，y、z向位移分別穩定在13.5m和4mm；柵墩x向位移與截面高度為負相關變化，截面高度1.2m時位移相對值約為16mm，而高度0.6m時位移相比前者增大了12.5%，達18mm。分析表明，改變截面高度設計參數時，可降低柵墩x向變形，但并不影響y、z向變形發展。

圖6 柵墩體系結構位移變化特征(截面高度)

2.3 截面寬度

前述分析已知截面高度增大可降低柵墩結構體系受拉與變形，降低進水塔水工結構受地震動荷載影響，而截面設計尺寸中還包括有寬度參數，因而本文還將就截面寬度影響開展分析。為此，同截面高度研究方案類似，本文設計有不同寬度研究方案，分別為寬度0.6、0.8、1、1.2m，前文已知截面高度1.2m時結構抗震性能較佳，因而4個寬度研究方案的高度均設定為1.2m，典型方案幾何截面示意圖如圖7所示。

圖7 典型方案幾何截面示意圖(不同寬度)

2.3.1應力響應特征

基于各截面寬度參數下動力響應計算，獲得柵墩結構體系應力響應特征，如圖8所示。從圖中可知，當截面寬度改變時，橫、縱梁拉應力變化特征為相反態勢，橫梁拉應力隨截面寬度逐漸降低，而縱梁拉應力逐漸升高，截面寬度0.6m時橫、縱梁拉應力分別為12.8MPa和8.3MPa，而截面寬度增大至1.2m時，橫、縱梁拉應力分別降低了25.6%、增大了34.9%；分析表明，連系梁截面寬度增大，可抑制橫梁拉應力產生，但一定程度會助長縱梁拉應力。柵墩第一主應力受截面寬度影響，稍有下降，截面寬度1.2m時的柵墩第三主應力相比0.8、0.6m時分別降低了1.3%、1.7%。綜合來看，截面寬度尺寸與橫梁拉應力為正相關、與縱梁拉應力為負相關，柵墩第一主應力響應特征稍有影響，如圖8所示。

圖8 柵墩體系結構拉應力變化特征(截面寬度)

2.3.2位移響應特征

同理類似，獲得各寬度研究方案下柵墩結構體系位移響應特征，如圖9所示。柵墩結構y、z向位移幾乎無變化，保持水平狀態，分別穩定在13.9mm和4mm左右，即截面寬度改變對柵墩y、z向位移響應特征無影響。柵墩x向位移逐漸遞減，截面寬度1.2m時位移值為13.5mm，相比于寬度0.6m時下降了15.7%，增大連系梁截面寬度設計參數，可抑制柵墩結構位移發展，減弱柵墩結構受地震荷載發生較大變形的危險。

圖9 柵墩體系結構位移變化特征(截面寬度)

3 連系梁綜合尺寸設計參數對柵墩結構動力響應影響特征

前述均是通過控制連系梁設計尺寸的單一變量因素，探討另一設計因素對墩系結構動力響應影響，本文還將就連系梁綜合尺寸參數對結構影響開展分析，并基于截面寬度不超過高度尺寸的設計原則，設置連系梁高寬尺寸如下研究方案：(A方案)0.6m×0.6m、(B方案)0.8m×0.6m、(C方案)0.8m×0.8m、(D方案)1m×0.6m、(E方案)1m×0.8m、(F方案)1m×1m、(G方案)1.2m×0.6m、(H方案)1.2m×0.8m、(I方案)1.2m×1m、(J方案)1.2m×1.2m，具體截面尺寸見表1，另給出典型設計方案的幾何截面示意如圖10所示。

圖10 典型設計方案幾何截面圖(高寬綜合因素)

3.1 動力響應特征

圖11為10個尺寸研究方案下柵墩結構體系應力響應特征。從圖11可看出，從A方案—J方案，橫梁拉應力最大值逐漸降低，J方案拉應力僅為9.6MPa，相比A、B方案分別降低了42.2%、39.6%；A方案—J方案中，縱梁的最大拉應力為緩慢增大，其中J方案相比A方案縱梁拉應力增大了32.4%；柵墩結構第一主應力基本均穩定在8.8MPa左右，并無顯著變化。橫梁壓應力均高于縱梁壓應力，C方案中，橫梁壓應力為15.6MPa，而縱梁壓應力僅為前者的54%；且橫梁壓應力隨A方案—J方案逐漸降低，橫梁壓應力最大降低幅度達40.1%，縱梁壓應力與之相反，呈逐漸增大，J方案相比A方案增大了30.7%；結構整個體系第三主應力與柵墩第三主應力變化趨勢與橫梁壓應力一致，J方案結構體系第三主應力降低幅度達39%。對比材料允許應力強度知，各設計方案下壓應力均滿足混凝土材料安全允許值，且連系梁截面尺寸面積越大，則承受荷載能力及自身剛度愈高，反映在動力抗震方面，即是梁截面積愈大，抗震性能較佳。

圖12為柵墩各方向位移響應特征曲線，從圖中位移變化知，x向位移遞減，J方案x向位移相比A方案降低了27.7%；Z向位移長期穩定在3.89～4mm之間；y向位移最大變化幅度不超過0.5mm，各尺寸設計方案位移為13.5～14mm。綜合動力響應應特征初步分析可知，J方案應力響應水平較低，抗震性能較好。

圖11 柵墩結構體系應力響應特征

圖12 柵墩體系結構位移特征(高寬綜合因素)

3.2 抗震性能最佳方案

圖13—14分別為J方案應力、位移響應特征分布圖，橫梁上最大拉應力位于柵墩底部橫梁上，達9.8MPa，最大壓應力位于邊緣柵墩；縱梁最大拉應力位于柵墩底部，接近閘室底板，達11MPa，而最大壓應力位于縱梁結構中部；柵墩中間結構對稱式應力分布，最大拉應力為9.8MPa。柵墩結構各向位移中x向位移最大位于接近進水塔頂位置，而y向位移最大位于墩底部，豎向沉降變形整體均較小，以中間柵墩頂部沉降最大，為4mm左右。從整體動力響應分布來看，J方案應力均滿足材料允許強度，最大沉降位移僅為塔高的0.05%，抗震性能較佳。

圖13 進水塔攔污柵墩系結構應力響應特征(J方案)

圖14 進水塔攔污柵墩系結構位移響應特征(J方案)

4 結語

(1)研究了連系梁截面高度、寬度與橫梁拉應力均為負相關，但與縱梁拉應力為正相關，柵墩第三主應力受影響較弱；柵墩y、z向與截面高度、寬度無顯著關系，高度影響下兩方向位移分別穩定在13.5mm和4mm左右，截面高度、寬度與x向位移均為負相關。

(2)分析了連系梁截面積愈大，橫梁拉應力愈小，但縱梁拉應力愈大，柵墩第一主應力穩定在8.8MPa；各方案中壓應力均以橫梁為大；截面綜合尺寸影響位移特征與高、寬單因素影響特性一致。

(3)研究了連系梁高寬為1.2m×1.2m時，應力響應量值與分布均較佳，最大沉降僅為塔高的0.05%，結構剛度較高，抗震性能最優。