河道防洪樞紐控制工程中柵墩縱梁參數(shù)對結(jié)構(gòu)動力影響特征研究

俞 榮，劉澤人，夏友超

(1.南京振高建設(shè)有限公司，南京 211300； 2.南京市水利規(guī)劃設(shè)計院股份有限公司，南京 210001； 3.蘇交科集團股份有限公司，南京 210003)

1 概 述

水利工程中抗震設(shè)計也較為重要，水工建筑結(jié)構(gòu)只有具備良好的抗震性能，才能更好地長期安全穩(wěn)定運營，因而許多水利工程師借助各種手段來提升水工結(jié)構(gòu)的動力抗震性能，在一定程度上也提升了水利工程的設(shè)計水平[1-2]。原型物理實驗在水利工程中運用較廣，它采用原型尺寸設(shè)計水工建筑，并借助振動臺等室內(nèi)大型試驗儀器，研究結(jié)構(gòu)破壞過程中動力響應(yīng)特征，為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供具體試驗參數(shù)[3-5]。采用微震等現(xiàn)場監(jiān)測儀器或原位測試儀器對工程現(xiàn)場水工建筑開展監(jiān)測測試，能夠獲取到水利工程運營過程中的數(shù)據(jù)特征變化，為工程師預(yù)判水利安全狀態(tài)提供重要參考[6-8]。仿真計算能夠較好模擬不同運營工況下水利建筑所處環(huán)境，并結(jié)合不同設(shè)計方案，分析各設(shè)計方案下水工建筑的動力或靜力特征，從而為水工設(shè)計提供計算參數(shù)或模擬運營[9-11]。本文利用ANSYS仿真手段，計算獲得不同設(shè)計方案下柵墩動力響應(yīng)特征，為確定最佳抗震設(shè)計方案提供重要計算依據(jù)。

2 工程資料

2.1 工程概況

某河道防洪樞紐工程包括上游攔污柵墩、節(jié)制閘、輸水隧洞及大壩堤防工程，為下游通航以及生產(chǎn)生活提供安全保障。枯水期甚至可以保證地區(qū)缺水率不會超過4%，同時可承擔(dān)地區(qū)超過1 000 km2面積農(nóng)田，提升了區(qū)域水資源利用效率與水利工程安全性。攔污柵墩作為該水利樞紐工程重要水工結(jié)構(gòu)設(shè)施，其迎水側(cè)是正常蓄水位高程379 m的大型水庫，總庫容設(shè)計為6 000×104m3，大壩堤防高程423.5 m，攔污柵墩設(shè)置于堤防大壩K+125 m處，具有過濾泥沙、減弱泥沙對水閘及堤防工程的流體沖刷作用。攔污柵墩后連接輸水渠道，渠首流量為0.65 m3/s，干渠總長度約125 km，以模袋式混凝土作為襯砌形式，保證輸水渠道安全穩(wěn)定性。整個堤防工程中設(shè)計進水孔2個，分布于攔污柵墩下游，每個出水口為3.5 m×6.8 m，采用弧型鋼閘門作為水流量調(diào)控設(shè)施，設(shè)計有電腦程序精確控制式的液壓啟閉機，保證通行水流安全性與輸水效率。攔污柵設(shè)置有6根支撐墩，柵墩之間的間距為4 m，均采用預(yù)應(yīng)力混凝土澆筑形成。設(shè)置有預(yù)應(yīng)力錨索與錨固洞連接，保證閘墩安全可靠性。錨索共有4根主錨索與3根次錨索，主錨索橫貫在縱向梁上，上下排主錨索間距為1.4 m，次錨索靠近閘墩承載平臺邊緣設(shè)置，中間次錨索距離閘墩頂部2.2 m，錨索布設(shè)剖面形態(tài)見圖1。

圖1 錨索結(jié)構(gòu)平面布置圖

目前由于該防洪樞紐工程運行時間較久，部分水工結(jié)構(gòu)出現(xiàn)老化及滲漏，極大地威脅了整體水利結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。特別是在閘墩縱向梁上，作為攔污柵墩在縱向剖面上的承載結(jié)構(gòu)，其安全可靠性對工程運營具有重大意義，因而對柵墩縱向梁安全加固設(shè)計很有必要。布設(shè)在柵墩縱向方向的縱向梁，軸向長度為1.5 m，目前工程設(shè)計部門考慮對該柵墩縱向梁的截面體型開展設(shè)計方案對比研究，以此獲取最適合該柵墩縱向梁截面的最佳方案。

針對縱向梁截面體型設(shè)計方案，考慮采用數(shù)值仿真計算手段，針對性解決不同縱向梁截面設(shè)計方案下柵墩整體應(yīng)力變形特征，因而數(shù)值計算首先需解決目前堤防樞紐工程場地地質(zhì)狀態(tài)，獲取相關(guān)巖土物理力學(xué)參數(shù)，確保各方案計算準確性。根據(jù)現(xiàn)場原位測試資料得知，該樞紐工程位于弱風(fēng)化花崗巖層上，該基巖穩(wěn)定性較好。現(xiàn)場所取出樣芯表明花崗巖完整性較好，表面無顯著孔隙，室內(nèi)測試單軸抗壓強度接近60 MPa，三向壓力測試氣體滲透率最低僅為10-18m2。表面覆蓋土層為第四系堆積土層，松散性較大，局部變形程度較高，承載力較低，輸水渠道持力層甚至都穿過該層，位于下臥砂土層中，砂土粒徑最大僅為4 mm，含水量較低，承載力中等，渠道采用厚20 cm碎石墊層鋪設(shè)在此層上，即可滿足承載力要求。在上述工程資料及參數(shù)測試結(jié)果下，以地震動荷載作為約束，所采用地震動荷載實質(zhì)上為EI Centro地震波，設(shè)計反應(yīng)譜法疊加動力荷載，根據(jù)不同柵墩縱梁截面體型設(shè)計方案，分別計算獲得柵墩結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特征，為評判最優(yōu)方案提供計算依據(jù)。

2.2 模型建立及動荷載

借助ANSYS軟件，按照柵墩整體幾何形態(tài)建立數(shù)值模型，且以六面變形體為基本單元體，經(jīng)劃分模型網(wǎng)格單元后共獲得單元總數(shù)198 738個，節(jié)點數(shù)96 538個，所建立柵墩仿真模型見圖2。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(cè)垂線方向、順水流向、向上豎向。對比縱梁不同截面體型，只需改變縱梁剖面不同幾何設(shè)計參數(shù)，即可對比各方案下動力響應(yīng)特征。

圖2 有限元仿真模型

邊界約束荷載考慮柵墩結(jié)構(gòu)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(yīng)譜作為荷載確認，本文地震動反應(yīng)譜以EI Centro地震波作為施加荷載，其反應(yīng)譜見圖3，按照空間體系中3個方向，分別作用在結(jié)構(gòu)模型網(wǎng)格單元節(jié)點上。由于堤防工程迎水側(cè)正常蓄水，因而所考慮的動水壓力M′根據(jù)式(1)計算[12-14]，按照力作用點施加在柵墩地基結(jié)構(gòu)體系中。

(1)

式中：H為深度；Zi、Ai分別為壩基距離與截面積；ρw為流體密度。

圖3 加速度反應(yīng)譜實測值

3 縱梁截面體型設(shè)計參數(shù)對動力特性的影響特征

3.1 縱梁截面高度

為研究縱梁截面高度參數(shù)對柵墩動力特性影響，在設(shè)計縱梁截面寬度均為0.5 m情況下，設(shè)定各截面高度分別為0.5 m(A方案)、1 m(B方案)、1.5 m(C方案)、2 m(D方案)4個方案，各截面體型方案見圖4。

圖4 不同截面高度設(shè)計方案(寬度均為0.5 m)

3.1.1 應(yīng)力特征

經(jīng)仿真計算獲得縱梁不同截面高度下應(yīng)力變化特征，見圖5。從圖5中可看出，縱梁上最大拉應(yīng)力與截面高度參數(shù)為正相關(guān)關(guān)系，當截面高度為0.5 m時，縱梁上最大拉應(yīng)力為7.1 MPa；而當截面高度增大至1.5和2 m后，縱梁最大拉應(yīng)力相比前者分別增大14.3%和17.1%。分析認為當縱梁截面高度增大后，柵墩橫梁上會過渡影響至縱梁，造成縱梁上拉應(yīng)力有所增大。相比縱梁上最大拉應(yīng)力遞增態(tài)勢，柵墩承臺上最大拉應(yīng)力與截面高度并無顯著關(guān)聯(lián)性，承臺最大拉應(yīng)力隨截面高度增大而穩(wěn)定不變，最大拉應(yīng)力均維持在9 MPa左右。腰墻上最大拉應(yīng)力相比縱梁、承臺最大拉應(yīng)力均要低很多，當截面高度均為1 m時，腰墻上最大拉應(yīng)力為2 MPa，僅為同設(shè)計方案下縱梁、承臺最大拉應(yīng)力的27.7%和22.7%；當截面高度增大時，腰墻上最大拉應(yīng)力在截面高度1 m后增長顯著，截面高度2 m時最大拉應(yīng)力相比高度1 m時增大21%。從工程安全性角度考慮，當截面高度在1m以下時，更有利于腰墻結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定性。

圖5 不同截面高度下最大拉應(yīng)力變化特征

3.1.2 變形特征

圖6為不同截面高度設(shè)計參數(shù)下柵墩各方向位移變化值。從圖6中可知，柵墩X、Y向位移在截面高度遞增過程中幾乎無較大變化，分別穩(wěn)定在14和13.7 mm，即截面高度改變并不影響柵墩在X、Y向上所發(fā)生的動力位移響應(yīng)。柵墩Z向位移隨截面高度增大逐漸減小，高度0.5 m時柵墩Z向位移值為4.4 mm；而截面高度為1.5和2 m時的位移值相比前者分別降低6.8%和9.1%，表明截面高度設(shè)計參數(shù)愈大，可稍微抑制柵墩Z向位移發(fā)展。

圖6 不同截面高度下位移變化特征

3.2 縱梁截面寬度

針對縱梁截面體型寬度設(shè)計，設(shè)定各方案截面高度均為2 m，截面寬度分別為0.5 m(1#方案)、1 m(2#方案)、1.5 m(3#方案)、2 m(4#方案)，4個截面體型方案剖面形態(tài)見圖7。

圖7 不同截面寬度設(shè)計方案(高度均為2 m)

3.2.1 應(yīng)力特征

圖8為縱梁截面寬度影響下各特征部位最大拉應(yīng)力變化特征。從圖8中可看出，縱梁最大拉應(yīng)力在寬度設(shè)計參數(shù)增大情況下有所遞增，但幅度較小。截面寬度為0.5 m時，最大拉應(yīng)力為8.3 MPa；而寬度增大至1.5和2 m后，最大拉應(yīng)力增長幅度分別僅為11.8%和12.1%。腰墻最大拉應(yīng)力隨截面寬度變化特征與縱梁相類似，其最大拉應(yīng)力在截面寬度超過1.5 m后增長處于停滯。與縱梁、腰墻有所差異的是柵墩承臺，其最大拉應(yīng)力隨截面寬度設(shè)計參數(shù)遞減。在寬度為0.5 m時的柵墩承臺最大拉應(yīng)力為9 MPa；而寬度增大至1.5和2 m后，最大拉應(yīng)力相比前者分別降低6.6%和9.8%。由此表明，截面設(shè)計寬度參數(shù)增大會抑制其最大拉應(yīng)力的發(fā)展態(tài)勢，即縱梁截面寬度設(shè)計參數(shù)在1.5 m以下具有較好抑制閘墩張拉破壞。

圖8 不同截面寬度下最大拉應(yīng)力變化特征

3.2.2 變形特征

經(jīng)仿真計算各設(shè)計方案下縱梁變形狀態(tài)，獲得閘墩各方向位移值隨縱梁截面寬度參數(shù)變化曲線，見圖9。從整體來看，柵墩X、Y、Z向位移隨截面寬度設(shè)計參數(shù)幾乎無較大變化，且X向位移與Y向位移基本接近一致，兩者位移值均在14 mm左右；Z向位移相比X、Y向位移均較小，在截面寬度1 m時，Z向位移僅為X向位移的28.6%。分析認為，截面寬度設(shè)計參數(shù)過大或過小，并不影響柵墩各向位移的穩(wěn)定。

圖9 不同截面寬度下位移變化特征

4 縱梁截面體型綜合設(shè)計方案分析

前文均是在縱梁截面單一設(shè)計參數(shù)變量條件下研究閘墩應(yīng)力變形變化特征，而針對綜合尺寸影響特性研究較少。本文基于縱梁截面體型高度設(shè)計參數(shù)不低于寬度這一準則，共設(shè)計出10個研究方案，即高、寬分別設(shè)計為2 m×2 m(a方案)、2 m×1.5 m(b方案)、2 m×1 m(c方案)、2 m×0.5 m(d方案)、1.5 m×1.5 m(e方案)、1.5 m×1 m(f方案)、1.5 m×0.5 m(g方案)、1 m×1 m(h方案)、1 m×0.5 m(i方案)、0.5 m×0.5 m(j方案)，典型設(shè)計方案截面體型見圖10。

圖10 典型設(shè)計方案截面體型示意圖

4.1 綜合設(shè)計方案應(yīng)力變形特征

圖11為計算獲得各設(shè)計方案下最大拉應(yīng)力、柵墩位移變化特征。從圖11(a)可看出，縱梁截面體型所占面積愈大，則縱梁拉應(yīng)力愈大，a、b兩方案縱梁拉應(yīng)力最大可達9.2 MPa，e方案縱梁拉應(yīng)力達9 MPa，當截面體型設(shè)計參數(shù)為j方案時，其最大拉應(yīng)力相比a方案降低23.9%，即截面體型面積不應(yīng)過大，應(yīng)保持在0.25 m2以下。柵墩承臺最大拉應(yīng)力基本隨截面積增大而遞減，在截面高、寬均為2 m時，柵墩承臺最大拉應(yīng)力為9.1 MPa，而截面高、寬分別為i、j方案后，其最大拉應(yīng)力相比a方案分別降低17.6%和19.8%。腰墻最大拉應(yīng)力最大不超過3.1 MPa，但當截面高、寬均低于1.5 m后，腰墻最大拉應(yīng)力均低于3 MPa，i、j方案腰墻最大拉應(yīng)力分別為2和2.2 MPa。

另一方面從柵墩各向位移特征來看，X向位移基本隨截面體型變化穩(wěn)定在14 mm左右；Y向位移亦是如此，長期穩(wěn)定在13.8 mm左右；Z向位移相比X、Y向位移均較小，其在各設(shè)計方案中整體稍有增大，但增幅較小。j方案位移值為4.41 mm，相比a方案Z向位移增大14%。

4.2 綜合設(shè)計方案比選

綜合各設(shè)計方案及截面高度、寬度影響因素，本文認為截面高度、寬度均為0.5 m時，不論是動力響應(yīng)下的最大拉應(yīng)力亦或是位移特征，均處于較安全狀態(tài)，圖12、圖13即為該方案下各特征部位應(yīng)力分布、位移響應(yīng)特征。由應(yīng)力分布云圖可看出，閘墩橫縱梁上最大拉應(yīng)力分布區(qū)域并不較多，最大拉應(yīng)力所處區(qū)域并不影響閘墩橫縱梁整體安全抗震設(shè)計；而腰墻上最大拉應(yīng)力僅為2.3 MPa，分布在墻邊緣側(cè)，分布范圍亦較小。柵墩各向動力響應(yīng)位移亦較小，特別是Z向沉降位移無顯著聚集性分布帶，因而選擇j方案最為合理。

圖11 綜合因素設(shè)計方案下動力響應(yīng)特征

圖12 各特征部位應(yīng)力分布特征

圖13 各特征部位位移響應(yīng)特征

5 結(jié) 論

1) 縱梁最大拉應(yīng)力與截面高度參數(shù)為正相關(guān)關(guān)系；但柵墩承臺最大拉應(yīng)力與截面高度并無顯著關(guān)聯(lián)性，各截面高度下均穩(wěn)定在9 MPa；腰墻上最大拉應(yīng)力相比前兩者均較小，在截面高度1 m后隨高度參數(shù)逐漸增大。

2) 柵墩X、Y向位移與截面高度參數(shù)并無顯著關(guān)聯(lián)性，分別穩(wěn)定在14和13.7 mm；Z向位移隨截面高度增大而遞減，但降低幅度較小，截面高度為1.5和2 m時的位移值相比高度0.5 m分別降低6.8%和9.1%。

3) 縱梁與腰墻上的最大拉應(yīng)力均隨截面寬度參數(shù)增大而稍有增幅，在寬度1.5 m后增長停滯；柵墩承臺最大拉應(yīng)力隨截面寬度設(shè)計參數(shù)增大而遞減，寬度1.5和2 m時最大拉應(yīng)力相比寬度0.5 m時分別降低6.6%、9.8%。

4) 柵墩X、Y、Z向位移隨截面寬度設(shè)計參數(shù)幾乎無較大變化，X、Y向位移均穩(wěn)定在14 mm；Z向位移隨寬度參數(shù)增大而稍有降低，在寬度2 m時位移相比寬度0.5 m時降低4.6%。

5) 綜合截面體型設(shè)計參數(shù)研究得到，截面積愈大，縱梁拉應(yīng)力愈大，柵墩承臺最大拉應(yīng)力隨截面積增大而遞減，腰墻最大拉應(yīng)力最大不超過3.1 MPa；柵墩X、Y向位移基本不變，分別穩(wěn)定在14和13.8 mm，Z向位移稍有增大，最大增幅僅為14%；綜合各設(shè)計參數(shù)影響因素確定截面高度、寬度均為0.5 m時，閘墩抗震性能最佳。