考慮組合荷載影響下?lián)P州泵閘樞紐靜動力特征研究

沈春林，田 揚

（1.南通市九圩港水利工程管理所,江蘇 南通 226300；2.江蘇省江都水利工程管理處,江蘇 揚州 225200）

1 引言

水工結構中靜動力響應特征不僅與上部結構有關,同時會在基礎工程設計時考慮抗震效應[1-2],從樁土-上部結構組合荷載下,考慮靜動力響應特征,更利于水工設計的全面性與實用性。王閨臣等[3]、李參等[4]為研究水閘結構靜力穩(wěn)定性特征,利用ANSYS 等有限元平臺,從多工況下開展水工結構應力、位移分析,為水閘設施多工況下運營進行前期校驗。曾欣等[5]、吳小龍[6]為研究水閘結構地震動響應特征,通過模擬輸入地震波,探討地震動荷載影響下水閘結構位移、應力以及加速度等響應特征,從動力響應水平評價水閘結構抗震設計效果。不論是靜力特征分析或動力響應水平探討,均是為水閘結構的運營提供參考服務,李密等[7]、張金堂[8]結合靜動力特征兩方面,通過對比分析水閘等水工建筑的靜動力特征差異,評價結構設計關注重點,為工程建設提供實際依據。本文為研究揚州泵閘樞紐靜、動力響應特征,不僅考慮無水工況下結構響應特征,也從流固耦合作用下分析樁土-上部結構與水體質量間關系。

2 研究概況

2.1 工程概況

揚州閘乃是揚州城區(qū)內長江、京杭運河重要水利控制樞紐,乃是一座閘泵站綜合水利設施,泵站抽排、引設計流量分別為72 m3/s、29 m3/s,一方面承擔著揚州市區(qū)生態(tài)用水供應,對古運河河道以及儀揚河進行水生態(tài)用水補充,乃是揚州市區(qū)打造水生態(tài)、景生態(tài)、湖生態(tài)以及人生態(tài)“四態(tài)化”城市發(fā)展的關鍵。由于揚州主城區(qū)圍繞著長江、淮河水道建設,在汛期常出現(xiàn)警戒水位以及南部山區(qū)的山洪等自然災害,不利于揚州市區(qū)防洪安全。揚州閘始建于1973 年,運營年限較長,部分水工設施出現(xiàn)老化“罷工”,自流抽排不暢,泵機運行效率降低等,為此,對揚州閘開展除險加固設計研究。該泵閘樞紐動力裝置泵站機組設計為單、雙向泵各2 臺,且抽排設計流量分別為20.56 m3/s、16.57 m3/s,而抽引流量設計為15.17 m3/s,進水口斷面寬度、高度分別為5.3 m、3.6 m。閘站內各項頂、底板結構,其靜、動力安全穩(wěn)定性乃是該座泵閘樞紐安全運營的關鍵。為此,工程部門討論結合泵閘上部結構特征,對閘站開展組合荷載下靜力特征及地震響應分析。

2.2 建模研究

根據揚州泵閘樞紐改建設計,從樁土-上部結構組合荷載作用下,考慮單孔閘室靜、動力響應特征,圖1（a）為采用有限元仿真平臺建立的計算模型。該模型包括了地基樁網部分、上部結構以及閘墩,樁網部分共有45 根灌注樁,間距為1.5 m,上部結構中閘室寬度為2.65 m×1.8 m,根據結構材料類型,選擇SOLID45、65 單元網格進行有限元劃分,具有三自由度方向變形特征,全模型共獲得微單元網格56368 個,節(jié)點數(shù)48628 個。模型中X～Z 分別設定有古運河河道橫向、運河水流方向以及結構自重方向,模型影響范圍分別取上、下游30 m,深度取40 m。考慮樁土接觸面特征,閘站底部樁土接觸模型見圖1（b）。

圖1 結構三維計算模型

為解決樁土接觸面上耦合關系,引入粘彈性邊界理論,圖2 為粘彈性邊界條件示意[9-10]。

圖2 粘彈性邊界條件示意

在仿真平臺中對揚州閘計算模型地基邊界設定為COMBIN14 單元,指代特定粘彈性邊界,圖3 即為地震動輸入下的揚州泵閘有限元模型。計算模型中地基土體為砂礫土,其物理力學參數(shù)均按照室內土工試驗結果取值。本文選取的地震波類型分別為南京波、Taft 地震波以及人工合成擬合地震波,限于篇幅,本文僅給出前20 s 加速度時程特征曲線,見圖4。

圖3 揚州泵閘計算模型

圖4 加速度時程特征

仿真計算包括有靜力特征與動力響應兩大部分,前者靜力特征計算包括有三個研究工況,分別為無水工況（A 方案,僅有結構自重）、閘前水位4.8 m（B 方案）、閘前水位5.3 m（C 方案）工況；后者動力響應特征包括有自振特性與不同類型地震波下地震響應特征分析。

3 閘站樁土-上部結構組合荷載下靜力特征

3.1 位移特征

根據對閘站三個工況下靜力特征計算,獲得了閘室結構整體變形與各向變形特征,圖5 為閘站整體位移與Z 向位移分布特征。分析可知,隨著閘前水位逐步逼近洪水位,整體變形最大值均有提升,且整體最大位移發(fā)生區(qū)域并未發(fā)生較大改變。相比之下,Z 向沉降位移高于X、Y 向,在無水工況下Z 向沉降位移值達1.211 mm,而X、Y 向位移最大值較之分別減少了68.5%、81%；當閘前水位為4.8 m 時,X、Y 向位移分別為0.7 mm、0.42 mm,與Z 向位移相比,分別減少了43.4%、69.1%；同樣,在閘前水位5.3 m 下,X、Y 向最大位移較之Z 向下分別有差幅31.4%、64.8%。由此可知,閘前水位愈大,則X、Y 向位移與Z 向位移間差幅愈低,閘室結構位移特征各向異性縮小。

圖5 各工況位移分布及變化特征

從Z 向位移分布與變化可知,有水工況下Z 向位移高于無水工況,閘前水位5.3 m 下Z 向最大位移達2.42 mm。在考慮樁土與上部結構組合荷載下,閘室樁端沉降較小,而樁頂土體沉降較大,樁身周圍土體受剪應力集中效應影響,極易出現(xiàn)樁間土不均勻沉降。結合閘站安全設計要求,不論是有水工況下閘前水位5.3 m 或是無水工況,Z 向沉降位移最大值均未超過50 mm,滿足安全設計要求[3,11]。

3.2 應力特征

同理,根據靜力特征計算獲得各工況下閘室結構主應力分布變化特征,見圖6。由圖中可知,隨著閘前水位增大,閘室結構第一、第三主應力增大,閘前水位4.8 m、5.3 m 下第一主應力最大值較無水工況下分別增大了80.4%、141.3%,而在第三主應力對比下,前兩者與后者工況下差幅分別為61.8%、115.1%。無水工況中張拉應力的產生僅局限在閘門面板部分區(qū)域,最大值為0.02 MPa,但閘前水位增大至4.8 m后,在該部分存在張拉區(qū)域有所擴大,拉應力可達0.03 MPa。從最大拉應力的發(fā)展來看,閘前水位4.8 m、5.3 m 下最大拉應力分布在排架與閘墩接觸面上,由于樁頂土與樁端不均勻沉降造成的局部彎矩,因而產生了張拉應力分布。分析表明,控制閘前水位,有助于限制樁頂土、樁間土各向異性,進而平衡拉、壓應力分布場,有效保護水工設施運營[4,12]。

圖6 主應力分布變化特征

4 流固耦合下閘站地震動響應特征

4.1 自振特性

根據對不同階次下自振計算,獲得了無水工況與閘前水位4.8 m 工況下各階自振頻率變化特征,也獲得了典型階次下閘室結構振型演化特征,見圖7。

圖7 閘站結構自振特性

由圖中自振頻率變化可知,無水方案自振頻率高于有水,在第2 階次下兩者差幅為80%,而在第4、6、8 階次下差幅分別可達82.2%、87.3%、89.2%,即隨計算階次增大,兩者自振特性差幅更大[7,13]。不僅如此,從自振振型分布演化來看,當計算階次還較低時,如第1、2 階次下,兩工況中振型均以X 向振動為主,但第二階次下為正X 向振動特征；當計算階次逐步延伸,第3 階次下為反對稱振型,而在第6 階次下分別為Z 向振動、對稱式振動。由此可知,有、無水工況下自振振型在初級階次下具有一致性,當計算階次深入發(fā)展時,振型演化特征逐步出現(xiàn)差異。

4.2 動力響應特征

從閘室樁端至閘頂,均測算結構動力響應特征,獲得閘體、樁網以及樁土動力響應值變化特征。為有效反映閘室在樁土-上部結合組合荷載下動力響應特征,本文探討無水工況、閘前水位4.8 m 方案下結構響應特征,圖8 為兩工況下三種不同類型地震波輸入時,結構樁端至閘頂各斷面上最大加速度響應特征[5,14]。

圖8 泵閘樞紐加速度響應水平

依據圖中加速度響應變化可知,不論是有水或無水工況,均為南京波輸入方案下結構加速度響應特征水平最高,如在有水工況中,樁身6 m 處南京波輸入下加速度響應值為0.83 m/s2,而Taft 地震波、人工合成地震波下同樁身位置處的加速度響應值分別為0.47 m/s2、0.18 m/s2；而高度延伸至上部結構后,在閘體38 m 處,Taft 地震波、人工合成地震波加速度響應值分別為0.66 m/s2、0.31 m/s2,南京波輸入下較前者分別增大了1.36 倍、3.94 倍。當閘體愈靠近結構頂部,則三種地震波輸入下的動力響應特征水平差幅愈顯著[15]。

相比之下,無論是何種類型地震波輸入下,無水工況中動力響應加速度低于有水工況,同為樁身10 m 處,無水工況中Taft 地震波下加速度響應值為0.36 m/s2,而有水工況下同類型荷載同位置處響應值較前者增大了29.6%,特別的當所在位置位于上部結構42 m 處,有、無水工況下該類型地震波方案響應值差距達32.3%。分析認為,當?shù)卣鸷奢d,水體的存在,會增加結構慣性力作用[9],從而導致有水工況下結構加速度響應水平高于無水工況下。

5 結論

（1）閘前水位愈高,閘站結構整體變形增大,但整體最大變形所處區(qū)域并無較大改變；Z 向沉降位移高于X、Y 向,且閘前水位愈大,Z 向沉降位移較之X、Y 向差距更小；有水工況下位移高于無水工況,但兩工況下位移最大值均滿足安全設計要求。

（2）拉應力分布在排架與閘墩接觸面上,且有水工況寫張拉應力分布區(qū)高于無水工況下,第一、第三主應力隨閘前水位增大。

（3）水體慣性力存在有助于削弱結構自振特性；在初級階次下水體慣性力對振型影響較弱,隨計算階次發(fā)展,振型演化逐步出現(xiàn)差異。

（4）南京波輸入下加速度響應水平最高,當愈靠近上部結構,不同類型地震波輸入下加速度響應水平差幅加大；任一種地震波輸入下均是有水工況中加速度響應水平最大。