地震波不同輸入狀態下進水塔結構響應特征研究

張學冬

(廣東省源天工程有限公司，廣東 廣州 511300)

0 引言

水工建筑安全穩定不僅僅需要考慮設計方案的合理性[1-2]，也需探討不同工況荷載下結構應力、位移影響特征，尤以動力響應工況下更為顯著。進水塔作為水電站、泵閘等工程中常見水工結構[3-4]，設計方案可靠性是否能匹配工況荷載，乃是水利工程師常需考慮的問題。楊庚鑫等[5]、吳建興等[6]為研究進水塔結構動力響應特征，采用振型分解、反應譜時程法等，研究了地震波荷載對塔體結構響應水平的影響，包括應力分布、位移特征等。Heymsfield E.[7]、ALEMBAGHERI M.[8]為研究進水塔的抗震設計，分別開展了不同地震波輸入特性下塔體結構地震動響應水平分析，探討了各類型地震波下水工結構的加速度、主應力等參數影響特征，對推動水工結構抗震研究具有重要意義。朱代富等[9]、李明超等[10]從地震波入射方式入手，探討了地震波不同方式輸入下，水工結構位移、應力分布變化，有助于揭示水工建筑地震破壞機理。本文為研究江都泵站進水塔結構動力響應特征，從波形入射角對比入手，評價了不同輸入狀態下進水塔體結構應力、位移以及加速度響應變化，對提高結構抗震設計有所參考。

1 研究方法

1.1 工程介紹

江都泵站乃是京杭大運河、南水北調等重要輸水通道的重要節點，位于淮河入江、新通揚運河交匯處，具有輸調水以及泄流排澇等重要水利職責。江都一站目前有8臺軸流泵，運行總流量為81.6m3/s，單機流量可達10.2m3/s，全功率運行下年輸水超過3200萬m3，引水為1500萬m3，有助于新通揚運河以及淮河入江段泄洪排澇，設計排澇流量可達23m3/s，最大揚程為7.8m。不僅于此，江都一站還是長江下游重要水文觀測樞紐，對汛期洪峰過境、枯水季蓄水調度，具有重要價值。圖1為江都水利樞紐工程從一站至四站分布示意。不論是江都一站或是江都四站，在芒稻河、新通揚運河等河道中，所發揮的蓄水、調水作用不可估量。根據統計資料，目前江都水利樞紐工程年運行時間超過5000h，實現水利發電超過3500萬kW·h，從優化泵站運行、提高水能利用率、降低輸水耗能等方面，江都水利樞紐管理處開展了智慧水利等一系列新興技術的應用，但不可忽視由于部分泵站運行時間、設計標準均有所滯后，急需對部分泵閘結構開展更新維護。從2016—2021年江都水利樞紐水文資料分析表明，排澇流量維持在與洪峰過境匹配水平，抽引流量仍存一定缺陷，泄流擠壓常導致泵閘滿負荷運行，且導致部分攔污柵結構破壞。為此，計劃采用水利仿真模擬建設方式，對江都一站進水塔開展結構動力響應水平分析。

圖1 江都水利樞紐分布示意

1.2 計算模型

基于江都水利樞紐智慧水利虛擬仿真系統，構建起與江都一站相匹配的進水塔幾何模型，并導入至ABAQUS有限元計算平臺中，獲得了進水塔結構有限元模型，如圖2(a)所示。該模型依托于智慧水利的運營可靠性分析，為數字孿生產物，在有限元計算平臺中，僅提取出進水塔上部結構模型與場地地基結構，模型的X～Z向分別為順水流向、垂直向上以及岸坡右側。該計算模型中，塔體最高處為60m，X、Y向計算范圍為120m，Z向計算范圍為150m，且Z向范圍涵蓋了地基向下深度30m。經ABAQUS有限元平臺劃分網格，共獲得模型網格單元348264個，節點數為396482個，而塔體結構中采用的為彈塑性本構單元，網格數占總模型的73.5%，如圖2(b)所示。進水塔所在場地地基采用附加質量法進行仿真計算，塔體底面與基礎接觸面加密劃分網格，確保計算精度。

圖2 有限元計算模型

據地勘報告顯示，上覆土體為為松散性適中的壤土，含水率分布為16%～20%，為芒稻河下游平臺典型代表，密度為1.7g/cm3，基巖為半風化灰巖，單軸強度超過40MPa，變形模量為13.2GPa，由于壤土沉陷性以及吸水性滿足地基土體要求，故未進行改性治理，本文計算模型中，巖土體參數也是以此為參照設定。

為確保計算結果可靠性，本文采用Taft地震波為輸入荷載[1，11]，該波形前20s加速度時程特征如圖3所示，峰頻加速度為0.3g。計算時采用粘彈性邊界條件設定，基于等效節點荷載方法，施加不同角度的入射Taft地震波，并限定入射角35°時為其均勻波形臨界點，只要入射角不超過該臨界點，波形均具有二維平面波形，在超過該臨界點后，所輸入的地震波荷載在反射方向上不具有二維均勻波。從江都水利樞紐進水塔結構抗震設計全面性考慮，Taft地震波入射角分別為0°、15°、30°、45°、60°、90°，入射方式均為一致，在模型上作用荷載具有波形等效特點，波形入射示意如圖4。

圖3 地震波時程曲線

圖4 波形入射示意

塔體結構受地震動荷載影響，會具有協同共振特點，從進水塔結構模型上選取多個關鍵特征點進行分析，分別位于塔底(1#、5#)、塔中(3#、4#)以及塔頂(2#、6#)。同時，在塔體模型上選取關鍵區域，作為應力分布及變化的衡量節點，如圖5所示。基于上述關鍵節點的應力、位移以及加速度響應特征分析，探討Taft波不同入射角工況下進水塔結構的動力響應差異。

圖5 關鍵特征點分布

2 泵站進水塔結構應力、位移響應特征

2.1 應力特征

基于進水塔結構動力響應計算，獲得了塔體結構各關鍵特征點處主應力特征，如圖6所示。依圖6可知，不同入射角方案下，主應力在特征點上的表現不同。在入射角0°時，塔底1#～4#點，第一主應力從6.32MPa過渡至4.23MPa，整體呈遞減，但在5#～6#特征點處，主應力具有穩定態勢，維持在3.3MPa。當入射角為30°、60°時，各特征點處主應力變化態勢各有異性，比如入射角45°時，在特征點5#～6#處，主應力呈遞增變化，分布在10.6～13.1MPa。分析可知，入射角變化，會改變各特征點間主應力變化趨勢特征，也會破壞塔體結構特征點主應力關系聯系性。從主應力量值水平分析可知，當入射角愈大，總體上主應力量值水平愈高，此規律在各特征點處均是如此。入射角0°方案下，3#特征點主應力為4.24MPa，而入射角為15°、60°、90°時，相應特征點處主應力較之分別提高了82.2%、159.3%、328.3%，特別是在入射角45°～90°區間內，當入射角每遞增15°，會引起3#特征點主應力增大37.2%。同樣，在2#、4#、6#特征點處亦是如此，主應力隨入射角分別具有平均增幅24.8%、27.9%、59.9%，對比塔頂、塔底特征點主應力增幅可知，塔底主應力受入射角影響敏感性更顯著。從計算結果宏觀來看，入射角與主應力量值水平為正相關，尤其在入射角超過35°后的45°～90°三方案中，主應力量值水平增幅最為明顯。

圖6 各關鍵特征點處主應力特征

2.2 位移特征

從動力響應計算結果中提取獲得了各向位移變化特征，如圖7所示。從圖中位移特征可知，各特征點的X、Y向位移變化趨勢性具有一致性，X向位移均為遞增，而Y向位移在各特征點中保持穩定。相比之下，Z向位移的趨勢變化無序性更顯著，特別是在特征點4#～6#。在X向位移中，隨入射角遞增，位移值減小，同是特征點5#，入射角0°時為576.1mm，而入射角45°、90°方案下位移值較前者分別減少了34.4%、76.5%，在1#～6#六個特征點中，隨入射角45°變化，位移量值降幅分布為47.6%～60.9%。從特征點上X向位移增幅來看，三個入射角方案中，位移增幅較為接近，從1#～6#特征點，入射角0°下位移分布為449.6～566.2mm，平均增幅為8.7%，而在入射角90°時，位移分布為24.1～158.4mm，平均增幅為13.5%。Y向位移在各特征點中均保持恒定，入射角0°、45°、90°三方案中分別為47.2mm、125.6mm、237.4mm，入射角愈大，Y向位移值愈高，此種現象與X向位移相反。總體上可知，塔體結構特征點上Y向位移分布具有一致性，受入射角影響，量值會有提高。

圖7 各向位移變化特征

在1#～3#特征點中，同一入射角方案中，特征點為4#～6#后，位移量值出現差異，總體上呈“增-減-增”變化。對比入射角對Z向位移量值影響，在4#、6#特征點處，入射角愈大，Z向位移值愈低，但在5#特征點處趨勢與之相反。分析認為，波形入射角對Z向位移影響最大，塔體結構特征點上位移變化與量值水平，具有突變性，此與地震波的輸入方向決定了塔體結構Z向平衡性，進水塔結構抗震設計時應著重關注[12-13]。

3 泵站進水塔結構加速度響應特征

依據進水塔結構地震波荷載輸入計算，可獲得結構加速度響應變化特征，如圖8所示。由圖8可看出，在各入射角方案中，加速度變化趨勢特征具有一致性，加速度響應最高均為2#、4#、6#特征點；在入射角30°方案中，特征點1#、3#、5#處加速度響應值分別為0.66m/s2、0.84m/s2、0.67m/s2，而6#特征點處加速度響應水平較前者三個點分別提高了92%、51.1%、90.3%，而特征點2#、4#處響應值分別為1.11m/s2、0.97m/s2。由此可知，塔頂特征點加速度響應水平高于塔底，地震動響應水平更應關注塔頂處。當入射角增大，塔體結構上加速度響應水平均為遞增，增幅趨勢也有差異性。在入射角0°方案，特征點1#～6#處加速度響應均值為0.41m/s2，而入射角30°、60°方案下響應均值分別為0.92m/s2、1.75m/s2，其中入射角90°下較之0°、30°下分別提高了5.82倍、2倍；當入射角每遞增30°，導致塔體結構加速度響應均值提高91.8%，在入射角60°、90°上，加速度響應均值對比增幅更大。分析認為，地震波形的入射方向超過均勻波形角(35°)，則塔體加速度響應水平更大[14]，造成危害更大。

圖8 加速度響應變化特征

4 結論

(1)不同入射角方案下，塔體結構特征點處主應力響應值變化具有無序性；入射角愈大，塔體主應力量值水平愈高，尤以入射角45°～90°下增幅最為顯著。

(2)改變入射角，X、Y向位移變化趨勢特征保持一致，分別為遞增、穩定不變，而隨入射角增大，兩向位移值分別為遞減、遞增；受入射角影響，Z向位移變化無序性明顯。

(3)在各入射角方案中，塔頂處加速度響應水平均為最大；入射角增大，塔體特征點處加速度響應值均為遞增，且在入射角超過35°后增幅更顯著。

(4)從塔體結構抗震設計考慮，關注塔頂處安全與Z向位移更為重要。