某大型泵站樞紐結構抗震動力分析

汪 明，張 衛 云，段 衛 通

(1.中國水利水電第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860；2.南京市水利規劃設計院股份有限公司，江蘇 南京 210022)

1 概 述

目前所建設的大型泵站多采用下部封閉圈層、上部排架廠房、前部蓄水池、后部排水設施的方式進行布置，形成集灌溉、防洪、引水、排澇于一體的綜合水利樞紐，但在其調度運行過程中，一旦出現調度險情，這些結構將面臨靜、動力雙重損傷、損壞以及遭受破壞的風險，為水工建筑物的安全服役埋下了重大隱患[1]。為此，急需開展八度烈度地震區大型泵站樞紐結構的動力服役性能分析以獲取結構動力方面的關鍵參數指標，達到精確、高效評估該類樞紐結構安全性能的目的。某大型泵站樞紐工程等別為Ⅱ等大(2)型，主要建筑物級別為2級，所在地區地震基本烈度為八度。泵房封閉圈底平面尺寸為74.1 m×18.5 m，立墻高12.3 m，上部廠房跨度為18.5 m，長76.1 m，立墻高11.65 m，桁車設計荷載標準值為32 t。該工程設有C20混凝土墊層，其余建筑物均采用C40鋼筋混凝土，桁車梁采用Q235鋼板材。

根據《水工建筑物抗震設計標準》(GB51247-2018)[2]與《泵站設計規范》(GB50265-2010)[3]的要求，工程中常采用擬靜力法和動力法進行抗震動力分析[4]。筆者通過建立考慮地基-基礎-填土-結構-荷載相互作用的泵站樞紐整體有限元模型開展了八度地震區抗震動力研究。

2 模型的建立

計算模型的邊界條件為：(1)基礎部分向進水方向延長19 m，向出水方向延長30.4 m，模型左側向外取23.6 m，模型右側向外取26.1 m，左側、右側、出水側地面部分寬度各取5 m，垂直向各呈1∶1.5的坡度；(2)后填土部分向進水方向延長14 m，向出水方向延長25.4 m，模型左側向外取18.6 m，模型右側向外取21.1 m，左側、右側、進水、出水側地面部分寬度分別取18.6 m、21.1 m、14 m、25.4 m，垂直向各呈1∶1.5的坡度，與基礎相匹配。(3)進水前池部分向進水方向延長7.5 m，分別由5條豎向隔板和左邊墩、右邊墩組成；(4)泵房封閉圈結構分為三段，自左向右分別編號為Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段。

采用有限元分析平臺對泵站整體結構進行離散化，其三維模型見圖1(a)，三維網格模型見圖1(b)。其中，混凝土相關結構采用SOLID65單元，桁車梁采用SHELL63單元，地基與填土均采用SOLID185單元[5]，材料參數見表1。

(a)三維模型圖

(b)三維網格模型圖圖1 泵站整體結構分析模型圖

3 模態分析

泵房封閉圈及上部廠房結構自振特性采用子空間迭代法，動力分析采用振型分解反應譜法，提取前20階振型，各振型之間采用CQC方法組合，即取各階振型地震作用效應平方總和的方根作為總地震作用效應，并計算其自振頻率以及所對應的各階振型，獲得前6階振型云圖(圖2)，前20階自振頻率見表2。

表1 材料參數取值表

(a)第1階振型圖

(b)第2階振型圖

(c)第3階振型圖

(d)第4階振型圖

(e)第5階振型圖

(f)第6階振型圖圖2 前六階振型位移云圖

表2 泵站整體結構自振頻率一覽表

4 結構動力分析

依據《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)[6]和《建筑抗震設計規范》(GB50011-2016)[7]等要求，對于該泵站結構進行地震作用分析時宜采用標準設計反應譜模型，標準設計反應譜曲線見圖3，并按振型分解反應譜法計算，查詢得到八度烈度地震區響應譜動力分析參數見表3。

圖3 標準設計反應譜曲線圖

表3 響應譜分析參數一覽表

進一步借助Visual Basic編程軟件，開發出計算與“加速度人工反應譜”相關的頻率和加速度參數的輸出界面。

根據所得相關動力參數，取前20階各個頻率點帶入“人工反應譜參數計算程序”計算加速度-頻率響應譜，計算所得頻率及其對應的加速度見表4。

表4 加速度-頻率響應譜輸入參數表

4.1 完建蓄水工況動力分析

依據《水工混凝土結構設計規范》(SL191-2008)等規范及Mises屈服準則，對該泵站整體結構進行了完建蓄水工況地震動作用分析，得到該有限元分析模型的代表性基礎部分Mises等效應力云圖(圖4)及泵房封閉圈結構綜合位移云圖(圖5)。

圖4 基礎部分Mises等效應力云圖

圖5 泵房封閉圈結構綜合位移云圖

通過完建蓄水工況計算，得到該工況下泵站結構的抗震分析結果：(1)基礎與填土最大等效應力為1.5 MPa，應力水平小于砂質泥巖勘察承載應力強度，泵房封閉圈結構下部基礎等效應力在0.19～0.25 MPa之間，經復核滿足地基設計承載要求；(2)泵房封閉圈結構綜合位移在21.5～27.93 mm之間，泵房封閉圈結構等效應力在0.001～2.73 MPa之間，滿足設計強度要求；(3)主廠房排架柱結構綜合位移在1.31～7.55 mm之間，主廠房排架柱結構等效應力在0.017～1.69 MPa之間，滿足設計強度要求。

4.2 運行疊加工況動力分析

對該泵站整體結構進行運行疊加工況地震動作用分析，得到該有限元分析模型的代表性基礎部分Mises等效應力云圖(圖6)及泵房封閉圈結構綜合位移云圖(圖7)。

圖6 基礎部分Mises等效應力云圖

通過運行疊加工況計算，得到該工況下泵站結構的抗震分析結果：(1)基礎與填土最大等效應力為1.49 MPa，應力水平小于砂質泥巖勘察承載應力強度，泵房封閉圈結構下部基礎等效應力在0.2～0.32 MPa之間，經復核滿足地基設計承載要求；(2)泵房封閉圈結構綜合位移在21.51～28.76 mm之間，泵房封閉圈結構等效應力在0.013～2.74 MPa之間，滿足設計強度要求；(3)主廠房排架柱結構綜合位移在1.31～7.55 mm之間，主廠房排架柱結構等效應力在0.019～1.69 MPa之間，滿足設計強度要求。

圖7 泵房封閉圈結構綜合位移云圖

4.3 對比分析

通過對完建蓄水工況與運行疊加工況兩種情況進行對比分析，形成以下結論：

(1)運行疊加工況與完建蓄水工況得出的基礎部分位移與應力分布規律一致，泵房封閉圈結構下部基礎等效應力在0.19～0.32 MPa之間，表明主廠房桁車滿載運營對基礎擾動影響甚微，地震動作用因素起主導作用，兩種工況下基礎均滿足設計承載強度要求。

(2)運行疊加工況與完建蓄水工況得出的泵房封閉圈結構位移與應力分布規律一致，兩種工況下泵房封閉圈結構綜合位移均在21.51～28.76 mm之間，主廠房桁車滿載運營相較于地震動作用而言，地震動作用因素起主導作用。

(3)運行疊加工況與完建蓄水工況得出的主廠房排架柱結構位移與應力分布規律一致，兩種工況下主廠房排架柱結構綜合位移均在1.31～7.55 mm之間，滿足規范規定的側向位移要求；主廠房排架柱結構等效應力在0.017～1.69 MPa之間，應力水平均小于規范規定的應力強度，進一步表明排架柱結構運行服役安全受地震動作用影響主導。

5 結 語

鑒于水工結構工程地震響應與地震波波頻、傳播方向等有關，不能完全模擬地震波作用過程，因此，筆者根據《水工建筑物抗震設計標準》與《泵站設計規范》等標準與規范，建立了考慮地基-基礎-填土-結構-荷載相互作用的泵站樞紐整體結構動力數值分析模型，完成了考慮結構自重、土壓力、靜水壓力、地震動水壓力等作用力組合狀態下的三維結構抗震動力性能并得出以下結論：

(1)通過模態分析求得該種泵站樞紐整體結構的前20階自振頻率分布在1.602～3.845 Hz之間。

(2)基于所開發的“加速度人工反應譜”頻率和加速度參數輸出界面進行的泵站樞紐整體結構抗震動力分析結果顯示該類型結構在完建蓄水與運行疊加工況下，其進水前池、泵房封閉圈、泵站基礎和填土以及上部主廠房等結構均滿足八度地震區抗震設計需要，進一步為該泵站技施復核及后期維護提供了技術支撐。