預應力閘墩結(jié)構(gòu)動力特性及響應分析

劉成浩，田偉峰

（中水東北勘測設計研究有限責任公司，吉林長春130021）

1 工程背景

水電站位于四川省攀枝花市鹽邊縣境內(nèi)，距上游二灘水電站大約18 km，距雅礱江與金沙江匯口15 km，是以發(fā)電為主的綜合利用水利樞紐，兼有下游綜合用水要求。該工程屬大（2）型工程，工程等別為Ⅱ等。電站裝機容量為600 MW，總庫容0.912 億m3，水庫正常蓄水位為1 015.00 m，水庫具有日調(diào)節(jié)性能。

該水電站攔河大壩及廠房建筑物壩頂總長439.73 m，共分15 個壩段。 泄洪閘主要布置在河床段，共設置4 個閘室段，每個閘室寬21.60 m，泄洪凈寬16.00 m，最大閘高60.00 m，閘室沿水流向長60.00 m。泄洪閘采用弧形鋼閘門擋水，弧形閘門尺寸為10.60 m×22.32 m（寬×高）。

工程區(qū)地震基本烈度為7 度，由水工建筑物重要性和工程場地基本烈度確定該工程攔河閘壩按甲類工程抗震設防，將攔河閘（壩）的地震設計烈度在基本烈度基礎(chǔ)上提高1 度，即8 度。抗震設防標準以100 年為基準期，超越概率為2%確定設計概率水準，相應的基巖水平峰值加速度為0.2g。

2 有限元模型

2.1 計算范圍與邊界條件

泄洪閘三維有限元計算模型包括泄洪閘混凝土結(jié)構(gòu)、預應力錨索及模擬錨具及相應基礎(chǔ)。計算范圍取樞紐總布置圖的第10 號壩段作為研究對象。根據(jù)一般工程經(jīng)驗及該工程實際地質(zhì)條件，計算模型的基礎(chǔ)選取范圍考慮結(jié)構(gòu)特征尺寸的1～2倍。計算模型范圍取為：順河向閘上0-045.00 m～閘下0+105.00 m；橫河向閘左0-030.00 m～閘左0-090.00 m；鉛直向高程900 m～閘頂（高程1 020.00 m）。

基礎(chǔ)底邊均視為固定邊界，基礎(chǔ)上下游邊界及基礎(chǔ)左右邊按平面應變問題處理，即基礎(chǔ)底邊約束全部位移，基礎(chǔ)上下游邊約束水平順河向（X 向）位移，基礎(chǔ)兩側(cè)邊約束沿壩軸線水平（Z 向）位移。

2.2 計算模型與網(wǎng)格剖分

10 號壩段以及相應基礎(chǔ)的有限元分析模型網(wǎng)格剖分中，預應力預留施工平孔周邊、錨頭、混凝土錨塊、溢流表面、門槽等結(jié)構(gòu)部位的網(wǎng)格剖分加密，以適應這些部位應力梯度較大的要求。實際計算中10 號壩段閘墩整體結(jié)構(gòu)計算單元總數(shù)為266 581，節(jié)點總數(shù)為276 154。巨大的計算規(guī)模可以有效地保證結(jié)構(gòu)分析模型的計算精度，各結(jié)構(gòu)部位和相應巖石基礎(chǔ)的單元類型和單元總數(shù)見表1。

表1 10 號壩段閘墩有限元計算網(wǎng)格單元類型及數(shù)目

3 預應力閘墩結(jié)構(gòu)動力計算成果

3.1 動力特性分析

動力特性計算前20 階頻率和對應振型，為振型分解反應譜法進行結(jié)構(gòu)動力響應計算提供準備。10 號壩段計算模型的前20 階頻率見表2。

表2 10 號壩段前20 階頻率

從計算結(jié)果可知，各階頻率有密集分布，特別是從6 階到8 階密集程度比較明顯，閘墩有明顯的單獨局部振動特征。且采用高階計算頻率試算表明，采用前20 階計算頻率計算可以滿足結(jié)構(gòu)動力響應計算精度所需的截斷頻率與振型數(shù)。

反應譜理論比較真實地考慮了地震作用與結(jié)構(gòu)動力特性、場地類型及震中距離等密切相關(guān)的重要因素，計算簡單易實施，獲得了廣泛的應用。參看《水工建筑物抗震設計規(guī)范》，根據(jù)水電站的具體地質(zhì)情況，反應譜采用規(guī)范給出的標準反應譜，其反應譜曲線見圖1。

在反應譜曲線上取點時，在折點處和曲線變化處這些區(qū)域應該多選點，這些數(shù)據(jù)點更具有代表性；另外，數(shù)據(jù)點所在的周期段，應當盡可能遍布該壩段的周期，進而全面地分析每階振型對地震作用的影響。充分考慮了以上因素之后，表3列出了10號壩段計算模型的前20階反應譜β(T )值。

圖1 加速度放大系數(shù)譜曲線

表3 10 號壩段前20 階反應譜β( T )值

3.2 閘墩位移結(jié)果與分析

10 號壩段閘墩位移峰值見表4。

表4 閘墩位移峰值mm

在靜力與地震疊加的作用下，由于閘墩的橫河向剛度較小，所以閘墩壩體沿壩軸線方向的水平位移受橫河向地震的影響較為明顯。10 號壩段閘墩最大位移發(fā)生在中墩頂端首部，最小位移發(fā)生在閘墩底部前側(cè)，橫河向位移峰值為28.994 mm，而其正常運行期橫河向位移峰值為0.144 mm，最大不均勻變形值為28.643 mm。

在靜力與地震疊加的作用下，靜水壓力、弧門推力沿順河向分力和地震力是引起閘墩壩體順河向水平位移的主要原因。其中，順河向地震對閘墩壩體順河向水平位移的影響較為明顯。10 號壩段閘墩最大位移發(fā)生在中墩頂端首部，最小位移發(fā)生在閘墩底部前側(cè)，順河向位移峰值為22.130 mm，而其正常運行期橫河向位移峰值為2.526 mm，增大了近9 倍，最大不均勻變形值為16.082 mm。

在靜力與地震疊加的作用下，泄洪閘垂直向位移分布相對正常運行期有較大改變，體現(xiàn)了垂直向地震力對垂直向位移的影響。10號壩段閘墩垂直向位移均為正值（向上），最大位移發(fā)生在中墩頂端首部，峰值為7.356 mm，而其正常運行期橫河向位移峰值為4.195 mm，最大不均勻變形值為6.311 mm，最小位移發(fā)生在閘室底板底部中心附近。

3.3 閘墩應力結(jié)果與分析

預應力錨塊應力峰值見表5。錨塊部位混凝土應力分布具有明顯的局部特征。地震力對錨塊混凝土應力的影響不大，主要是對錨塊沿主錨方向正應力產(chǎn)生的影響。在靜力工況中，錨塊混凝土沿主錨方向拉應力的峰值均在2 MPa 以下，而且作用范圍很小。在靜力和地震組合工況下，大部分區(qū)域拉應力在混凝土抗拉強度標準值之內(nèi)，只在錨塊與閘墩立面交界面靠近弧門支鉸處有超過混凝土抗拉強度標準值的小范圍區(qū)域，不過影響范圍很小，不超過0.5 m。地震工況下，錨塊弧門推力向壓應力峰值和橫河向壓應力峰值最大，分別達-17.85 MPa 和-9.78 MPa。

表5 錨塊應力峰值MPa

由于在計算時，沒有模擬主、次錨錨頭墊塊以及鋼墊塊，所以在弧門支座處附近出現(xiàn)了較大的局部拉應力，但作用范圍很小，這在實際結(jié)構(gòu)中是不會出現(xiàn)的。在主、次錨錨頭與錨塊的接觸部位出現(xiàn)了較大的壓應力，但基本上都在混凝土設計軸心抗壓強度fc=21.5 MPa 以內(nèi)。

4 結(jié)語

上文主要采用有限元方法，對預應力閘墩結(jié)構(gòu)進行了動力分析研究，分析了在動水壓力的影響下泄洪閘的自振特性，采用反應譜法得到了泄洪閘結(jié)構(gòu)的動力響應。總結(jié)起來得到以下結(jié)論：

1）在ABAQUS 分析平臺上，利用用戶子程序UEL 成功地開發(fā)了4 節(jié)點單自由度用戶單元來實現(xiàn)動水壓力對壩體的動力影響。在此基礎(chǔ)上討論了動水壓力附加質(zhì)量對計算模型自振特性的影響，得到了泄洪閘結(jié)構(gòu)前20階頻率與反應譜表。

2）在地震的作用下，泄洪閘各主要部位的位移符合一般規(guī)律。與靜力工況相比，均有明顯的增幅。其中，對泄洪閘的橫河向位移和順河向位移影響顯著；泄洪閘出現(xiàn)了垂直正向的位移。

3）在地震的作用下，泄洪閘各主要部位的應力符合一般規(guī)律。與靜力工況相比，閘墩的高拉應力區(qū)依然發(fā)生在頸部、尾部、平孔周邊等關(guān)鍵部位。