材料老化對水閘抗震性能的影響分析

宋 輝

（河北省子牙河河務中心,河北 衡水 053000）

1 前言

水閘是重要水工建筑物,由于其長期受到水壓力、自重、外力的長期作用,結構材料發生疲勞腐蝕破壞,尤其在突發地震時,周圍土體將帶動水閘結構發生大幅振動,導致水閘結構開裂,無法正常運行[1-3]。目前針對水閘抗震性能的研究,主要集中在建閘地基土體性質、水閘結構布置及地震波種類等方面。研究發現,周圍土體及地基對水閘結構的動力響應行為起到放大作用,導致閘室底板將產生較大的拉應力和壓應力,威脅水閘結構安全[4-5]。修建在不同性質地基上的水閘,動力響應規律均有所不同,地基剛度越大,地震效應越弱[6-8]。在閘室底板下合理設置樁基可以對地基土起到擠密、壓實的作用,減小閘室沉降,改善結構的應力分布[9-10]；使用振沖碎石樁可以減小地基土體的孔隙水壓力,有效防止砂土地基受震發生液化,進一步增強水閘的抗震性能[11-12]。將水閘進行對稱布置,同時減小水閘上部結構高度,加固檢修橋等水閘橫向聯系結構,也有利于增強水閘抗震能力[13-14]。

隨著建筑材料的發展,輕骨料混凝土由于自重輕、剛度大,且具有很好的抗裂性和延展性,被廣泛應用于各類建筑工程領域[15]。而目前,鮮有水閘建筑材料特性對結構抗震性能影響的研究。本文采用有限元法,分析水平向及縱向地震波作用下,采用不同密度及彈性模量混凝土水閘的動力響應規律。

2 工程概況

水閘為三孔鋼筋混凝土河道進水閘,閘孔凈寬6 m,高3.5 m,閘室寬21.6 m,長10.8 m,邊墩及中墩寬1 m,閘室底板厚0.6 m,閘墩上設有啟閉機橋、檢修橋及公路橋,上游進水段長8 m,下游消力池段長10 m。水閘平面布置圖和剖面圖見圖1、圖2。

圖1 水閘平面布置圖

圖2 水閘縱剖面圖

閘室兩側岸坡為素填土,閘室置于粗砂軟弱地基上,粗砂層厚8 m,下部為強風化巖體。閘室地基采用振沖碎石樁進行加固處理,樁徑為0.6 m,等間距布樁,樁間距1.8 m,樁長為6 m,順河道方向設置6 排,垂直河道方向設置12 排。

3 計算模型及原理

3.1 有限元模型

有限元計算模型見圖3,模型均采用三維實體單元,閘室結構及樁基礎單元采用彈性本構模型,其余土體單元采用摩爾庫倫本構模型,材料計算參數見表1。

表1 材料物理力學特性

圖3 模型有限元計算網格

3.2 特征值分析

在進行動力時程分析前,需對模型自振特性進行計算,即進行模型的特征值分析。在保證精度符合要求的情況下,為便于計算,本文共設置10 個計算振型,用于獲取模型最大質量參與比例對應的振動周期。同時,為避免地震波在模型邊界發生反射,影響計算結果的準確性,在地基四周采用自由場邊界,用于模擬無限遠處土體；在模型底部采用固定端邊界,用于模擬模型與底部基巖的連接。

3.3 地震荷載設置

本文采用Kobe 波作為本次計算輸入的地震波,地震時程設置為20 s,輸入方向分別沿X 軸（順河向）、Y 軸（橫河向）、Z 軸（豎向）,地震波時程加速度見圖4。

圖4 Kobe 波加速度時程

4 地震波作用下水閘動力響應規律

4.1 水閘最大相對位移分析

圖5 為不同向地震波作用下水閘最大相對位移云圖。由圖可知,橫河向地震波對水閘最大相對位移值影響最大,縱向地震波次之,順河向地震波最小。在橫河向波及順河向波作用下,水閘最大相對位移均出現在啟閉機架頂部,特別是當橫河向波作用時,啟閉機架最大相對位移達到了12.99 cm,水閘閘室、上游進水段及消力池段相對位移集中在10 cm 左右。縱向地震波作用時,水閘最大相對位移出現在公路橋下游側及消力池與閘室連接處,最大值為6.82 cm,其余結構的最大相對位移值大部分集中在6.59 cm～6.47 cm。

圖5 不同向地震波作用下水閘最大相對位移

4.2 水閘最大拉應力分析

圖6 不同向地震波作用下水閘最大拉應力云圖。從圖中可以看出,地震波作用時,水閘結構最大拉應力值相對靜力作用下均大幅增加,不同方向地震波作用下水閘最大拉應力基本出現在啟閉機架立柱端部及中墩與檢修橋、公路橋、閘室底板的連接位置。在橫河向及順河向地震波作用下,水閘最大拉應力出現在啟閉機立柱的頂部和底部,分別為27.73 MPa 和26.27 MPa；在縱向地震波作用下,水閘最大拉應力分布與靜力荷載作用下類似,最大拉應力值出現在檢修橋與中墩的連接處,為31.39 MPa。

圖6 不同向地震波作用下水閘最大拉應力

從以上分析可以得出,水閘高度越高,抗震性能越差；中墩與啟閉機橋、檢修橋、公路橋、閘室底板連接位置為水閘結構抗震的薄弱環節。水閘在橫河向的剛度最小,在橫河向地震波作用下,水閘與兩側岸坡土體相互擠壓作用,因此結構易發生破壞。

5 混凝土材料特性對水閘抗震性能的影響分析

根據分析可知,在橫河向地震波作用下,水閘結構的相對位移及最大拉應力相對較大,動力響應最為突出。因此,研究橫河向地震波作用下,不同混凝土彈性模量及密度對結構抗震性能的影響。

5.1 混凝土特性對水閘相對位移的影響

圖7 為不同彈性模量及密度的混凝土水閘相對位移時辰曲線。從圖中可以看出,混凝土彈性模量越低,水閘在地震波作用下相對位移值越大,當混凝土彈性模量降低至1.6 GPa時,水閘最大相對位移達到了0.22 m。混凝土密度越小,地震波作用下水閘相對位移越小,當混凝土密度為1.2 g/m3時,水閘最大相對位移值為0.08 m。這是因為彈性模量越大,水閘整體剛度越大,抗變形能力變強；而材料密度越小,結構自振動頻率越小,與場地振動頻率差異增大,受振動影響減弱。

圖7 水閘相對位移時程曲線

5.2 混凝土特性對水最大拉應力的影響

圖8 為不同彈性模量及密度的混凝土水閘結構最大拉應力時程曲線。從圖中可知,隨著材料彈性模量的增加,水閘結構最大拉應力在不斷增大,當混凝土彈性模量為2.8 GPa時,地震波作用下結構最大拉應力達到了4.5 MPa。隨著材料密度減小,結構所受拉應力也逐漸減小,當混凝土密度為1.2 g/m3時,水閘結構最大拉應力為1 MPa 左右。這說明輕質、柔性材料在地震波作用下,結構內力更小,抗震性能更好。

圖8 水閘最大拉應力時程曲線

6 結論

本文采用有限元軟件對不同地震波作用下水閘的動力響應規律進行了分析,并對比研究了采用不同彈性模量及密度的混凝土時水閘抗震性能的變化,得出以下結論：

（1）水閘高度越高,抗震性能越差,閘墩與啟閉機橋、檢修橋、公路橋、閘室底板等結構的連接位置為水閘抗震的薄弱環節,設計時應著重考慮地震荷載的影響。

（2）在不同方向的地震波作用下,水閘的動力響應有較大差別。由于水閘在橫河向的剛度相對較小,在橫河向地震波作用下,水閘受兩側岸坡土體的擠壓作用,結構的相對位移和拉應力達到最大值。

（3）材料的彈性模量和密度對水閘抗震性能具有一定影響,筑閘混凝土彈性模量越大,水閘整體剛度越大,地震波作用下相對位移值較小,但結構所受拉應力較大。密度較小的材料,自振頻率與場地振動頻率具有較大差異,地震波作用下相對位移值和拉應力值較小。