基于仿真計算下墩系梁增設切角對泵站進水塔結構抗震特性影響分析研究

周松松，葉柏陽，孫益松

( 1.淮安市水利勘測設計研究院有限公司，江蘇 淮安 223005； 2.江蘇淮源工程建設監理有限公司，江蘇 淮安 223005 )

1 概 述

水工建筑結構的建設為水資源開發利用提供了重要堅實基礎，確保水利工程建設安全穩定性是許多水利工程持續致力于研究的重要課題。水利工程中不僅需要考慮靜力荷載下安全穩定性，對動力抗震特性也必須重視關注，因而探討研究水工結構動力抗震特性影響因素具有重要意義[1-3]。已有許多國內外學者基于室內動力振動臺試驗，探討了水利工程結構在地震荷載作用下破壞特性，為工程實際設計提供了重要參考[4-6]。由于水工結構面臨流體介質的特殊性，許多學者引入模態分析或擬靜力手段，以數值仿真手段研究流固耦合或多場耦合下水利工程結構動力響應特性，為實際工程探討動力抗震安全穩定性提供重要參考[7-8]。本文針對抽水泵站進水塔結構，利用有限元軟件研究計算切角設計參數對結構動力響應影響特性[9-10]，為實際工程設計提供仿真參考。

2 工程概況與研究模型

2.1 工程介紹

某抽水泵站群位于安徽西北部，承擔區域內灌區農業用水以及農村生活用水，調節豐枯水季水資源供應量，總農業面積超過150×104m2，枯水季可提升農業灌溉效率25%，且生活用水量缺水率可降低13%，是地區水資源供給重要水工設施。泵群中第三梯隊的甲抽水泵站為本文研究對象，其頂部高程為285 m，建有蓄水池，尺寸為7.2×4.6 m，灌區內輸水干渠與該蓄水池出水孔相連，渠首流量設計為0.65 m3/s，干渠總長度約為125 km，以模袋式混凝土作為襯砌形式，保證輸水渠道安全穩定性。另在泵站上游河流建有進水塔，進水塔頂部高程與蓄水池接近，為288 m，塔寬為37.5 m，順水流方向為28 m，以多段式框架結構設計攔污柵形式，每個攔污柵5×15 m，其中每個攔污柵上布設有2個進水口，尺寸為3.5×10 m，框架式攔污柵支撐采用進水塔墩系結構，設置有橫縱梁與塔墩相連，目前橫梁設計為高寬1×0.8 m，總量為正方形平面結構，邊長為1 m，框架攔污柵結構與塔墩橫縱梁支撐式結構，均采用鋼筋混凝土一體式澆筑形成。另在攔污柵中間布設有平面弧型鋼閘門，閘門啟閉均采用泵站管理廠房內液壓式啟閉機精確控制，保證水資源調控量精準，確保泵站運行安全。塔墩連系梁結構體系是該泵站工程中重要支撐結構，探討其安全穩定性對確保泵站安全運營具有重要作用。進水塔主要結構見圖1。

圖1 進水塔主要結構三維圖

現場工程地質調查發現，場地屬Ⅱ級場地，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向斜，長度實測值為1.2 km，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。泵站場地表面為第四系人工填土，厚度較薄，約為1.3 km，但相比農田灌區內表面第四系種植土，該人工填土層松散性較大，顆粒分選性顯著，無顯著砂石顆粒。下方土層為砂礫土，顆粒粒徑為1.6～5.8 mm，磨圓度較高，含水量較低，分析是泵站進水塔上游河流沖刷搬運沉積形成，作為地區內公路路面以及輸水干渠持力層。基巖層以弱風化灰巖為主，塊狀結構，表面磨圓度較高，無可見顯著孔隙，巖體完整性較好，室內測試常溫滲透系數為10-18m2，其含水量對進水塔墩靜力穩定性影響較弱。以上述工程資料為基礎，基于模態分析理論，借助數值仿真手段，計算研究設計參數對進水塔結構動力影響特征。

2.2 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198 738個，節點數96 538個，所建立泵站進水塔整體仿真模型見圖2(a)，進水塔結構有限元模型見圖2(b)。有限元計算過程中，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結構體系中增設切角的高度、坡度設計參數，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見圖3，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。

圖3 加速度反應譜實測值

動水壓力按照式(1)計算，并施加在進水塔地基結構體系中。

(1)

式中：H為深度；Zi、Ai分別為壩基距離與截面積。

3 增設切角參數對進水塔墩系梁動力響應影響

為分析切角參數對墩系梁動力響應影響，設計開展不同切角設置高度、不同切角坡度動力體系計算分析。

3.1 增設切角高度

本文切角高度研究方案分別有0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m，并加入一組未設置切角的研究方案(認為切角高度0 m)，同時保證切角坡度固定為1/3(高長比)，且橫縱梁截面其他設計參數均保持一致，典型不同切角高度下截面幾何圖見圖4。

圖4 切角不同高度截面幾何圖

基于對進水塔結構體系中仿真求解，獲得進水塔墩系梁體系中動力響應特征，圖5為模態體系中計算獲得各切角高度下進水塔結構中應力特征變化曲線。

圖5 各切角高度方案下結構拉應力特征變化

從圖5中可知，橫梁軸向拉應力受增設切角高度參數影響顯著，并與之為負相關變化特征，在未設置切角情況下橫梁拉應力最大，達14.6 MPa，當僅改變切角高度為0.5和0.6 m時，拉應力相比分別降低14.4%和17.8%，即增設切角有助于降低橫梁結構拉應力參數，且切角高度愈高，抑制橫梁結構拉應力愈顯著。改變增設切角高度，縱梁軸向拉應力增長較緩，且僅在增設切角高度為0.3 m后才開始小幅增長，高度0.3 m以下幾乎無變化，切角高度0.6 m相比0.3 m時的縱梁拉應力增長6.4%，達8.3 MPa，分析表明僅當增設切角高度過高時，才會促進縱梁拉應力參數。從柵墩第一主應力特征參數變化可知，其與切角設置高度并無顯著性關系，不論是切角高度0.3 m，亦或是0.6 m，第一主應力參數值均穩定在8.77 MPa左右，表明柵墩主應力并不受切角高度改變而影響。

圖6為柵墩各方向位移相對值與切角高度關系曲線。從圖6中可看出，柵墩Y向、Z向位移相對值曲線為一水平線，即Y向、Z向位移不受增設切角高度影響；柵墩X向位移相對值曲線整體上隨切角高度增大而逐漸降低，切角高度0.6 m時X向位移相對值為15.6 mm，但其相比切角高度0.2 m時降低8.2%，即切角高度尺寸改變，則柵墩X向位移會有所減小。

圖6 柵墩各向位移與切角高度關系曲線

圖7為計算獲得進水塔結構體系中，特征部位壓應力受增設切角高度影響變化曲線。從圖7中曲線變化可知，橫梁軸向壓應力、柵墩第三主應力、結構體系整體第三主應力分別與切角高度均為負相關變化，切角高度為0.6 m時的橫梁軸向拉應力為12.8 MPa，相比切角高度0.2和0.3 m時降低10.5%和8.6%，相同對比情況下柵墩第三主應力降幅分別為10%和6.1%。另一方面，縱梁軸向壓應力受切角高度影響，會稍有增大，橫梁切角高度為0.6 m縱梁壓應力相比高度0.2 m上升4.8%；從各特征結構壓應力分布可知，均未超過混凝土材料允許應力值，處于較為安全狀態。

圖7 各切角高度方案下結構壓應力特征

圖8為切角高度為0.6 m時柵墩各方向位移分布云圖，體系中位移分布較為穩定，受地震動荷載作用，最大位移出現在X向，達15.5 mm，位于柵墩迎水側區域，順水流方向位移自柵墩底部至頂部逐漸增大，柵墩豎向最大位移沉降為39.6 mm，位于墩頂。綜合上述位移與應力分析，橫梁切角設置高度為0.6 m時進水塔墩系梁體系結構較穩定，可增強進水塔結構抗震性能。

圖8 切角高度0.6 m時位移分布

3.2 增設切角坡度

切角坡度研究方案分別設置1/1、1/2、1/3、1/4和1/5，其他設計參數均保持一致，計算獲得各方案墩系梁動力響應特征，并比較獲得最佳抗震性能方案。為分析方便，本文將各方案中切角坡度1/1、1/2、1/3、1/4和1/5換算成長高比1/1、2/1、3/1、4/1和5/1，并在各坐標體系中分別以長高比1、2、3、4、5代替。圖9為不同切角坡度方案下進水塔結構體系中特征部位拉應力變化。

圖9 各切角坡度方案下結構拉應力特征

從圖9中可看出，當切角長高比改變時，縱梁拉應力、柵墩第一主應力無明顯變化，僅橫梁拉應力為先減小后增大變化，橫梁最低拉應力為長高比3/1時(坡度1/3)，達13.5 MPa，從長高比1/1至3/1時橫梁拉應力降低5.6%，但從長高比3/1至5/1時，橫梁拉應力又增大2.2%。分析表明，切角坡度過大過小，均會影響橫梁拉應力參數，應保持切角坡度設計在合理區間，抗震性能才最佳。

圖10為各坡度(長高比)參數下進水塔柵墩各方向位移特征。從圖10中曲線可知，不論是柵墩X向亦或是Z向，各坡度下位移幾乎均為水平線，X向位移變化幅度亦是3個方向中最大，但亦僅為1.1%，即柵墩位移并不受切角坡度影響。分析表明，切角坡度改變，并不影響柵墩位移特征。

圖10 柵墩各向位移與切角坡度關系曲線

圖11為各切角坡度下進水塔墩系梁壓應特征參數變化。從圖11中可知，當長高比增大時，橫梁壓應力為先減后增，最低壓應力為長高比3/1時，達13.8 MPa；柵墩第三主應力、縱梁壓應力均幾乎無變化，分別穩定在11.7和8.4 MPa左右；結構體系中第三主應力最大值為15 MPa，此時長高比為1/1，在長高比3/1時，相比前者減少6%，而在長高比3/1后，結構體系中第三主應力又隨之增大；從各研究方案壓應力計算結果可知，均低于混凝土原材料允許強度，滿足安全要求。綜上動力響應應力與位移特征可知，切角坡度對結構體系中特征部位拉壓應力影響特征一致，例如切角坡度減小(長高比增大)，橫梁拉壓應力均為先減后增，縱梁拉壓應力無顯著變化，從設計方案最佳抗震性能考慮，當切角坡度為1/3時最適宜。

圖11 各切角坡度方案下結構壓應力特征

圖12、圖13分別為坡度1/3時進水塔墩系梁特征部位應力分布、柵墩各向位移分布，從中可知3個特征部位中拉應力以橫梁中為最大，達13.9 MPa，最大拉應力位于橫梁第三排邊緣內側區域；各排縱梁應力分布基本為相似，其最大應力位于中間排框；柵墩迎水側應力高于背水側，最大拉應力位于柵墩底部，達8.8 MPa。順水流方向位移自墩底部至頂部逐漸由正向變換為負向；豎向位移最大沉降為3.9 mm，柵墩水流方向上最大位移位于迎水側，邊緣側柵墩位移分布為一致，中間柵墩位移分布最大，且具有相似性。從位移分布與特征部位應力表現來看，設置切角坡度1/3時，結構體系中抗震動力響應特性最佳。

圖12 坡度1/3時結構應力分布

圖13 坡度1/3時柵墩位移分布

4 結 論

針對抽水泵站進水塔墩系梁動力響應特性，基于模態分析理論建立仿真模型，研究增設切角的高度、坡度對其動力響應影響特征，結論如下：

1) 研究了增設切角高度對結構拉應力影響特性，增設切角有助于降低橫梁結構拉應力，且切角高度愈高，抑制橫梁結構拉應力愈顯著；縱梁拉應力僅在增設切角高度0.3 m后小幅增長；柵墩第一主應力與增設切角設置高度無顯著關系，各高度方案中第一主應力均為8.77 MPa左右。

2) 研究了增設切角高度對結構位移與壓應力影響特性，柵墩X向位移相對值與切角高度為負相關變化，但Y向、Z向位移不受橫梁切角高度影響；橫梁壓應力以及第三主應力與切角高度均為負相關關系，縱梁壓應力隨增設切角高度增大，稍有小幅增大，壓應力均未超過混凝土材料允許應力值。

3) 分析了切角坡度對結構應力影響特征，縱梁拉壓應力、柵墩第一、第三主應力不受切角坡度影響；切角坡度過大過小，均會影響橫梁拉壓應力，隨著坡度減小，橫梁拉壓應力均為先減后增，坡度1/3時壓應力相比坡度1/1時減少6%。

4) 研究了切角坡度對結構位移影響特性，柵墩X向、Y向、Z向位移相對值隨坡度變化幾乎均為穩定不變狀態；當增設切角高度0.6 m、坡度1/3時，結構抗震性能最佳。