黄金坪右岸小厂房进水塔结构静动力分析

2014-03-20祖威

水电站设计 2014年2期

祖威

1 工程概况

黄金坪水电站位于大渡河上游河段，系大渡河干流水电规划“三库22级”的第11级电站。电站采用水库大坝和“一站两厂”的混合式开发，枢纽建筑物主要由沥青混凝土心墙堆石坝、1条岸边溢洪道、1条泄洪(放空)洞、左岸尾部式大厂房引水发电建筑物和右岸小厂房引水发电建筑物等组成。

小厂房引水发电建筑物布置于河道右岸，由进水口、压力管道、主厂房、主变室、尾水调压室、尾水洞等组成。引水系统采用“一洞一管两机”布置，尾水系统采用“两机一室一洞”布置，主厂房、主变室、尾水调压室平行布置。小厂房安装2台25MW的水轮发电机组，单机引用流量47.1m3/s。

黄金坪水电站场址地震基本烈度为Ⅷ度，50年超越概率为10%的基岩水平峰值加速度为220gal。电站进水口结构抗震性能好坏危及引水发电系统运行期的安全和效益，鉴于进水口塔体结构复杂，只依靠简单的结构假设及力学计算无法准确描述出进水口结构在动、静力工况下的应力情况，该问题必须予以妥善解决。因此，有必要对黄金坪水电站进水口结构进行三维有限元动、静力分析研究，以评价进水口结构的抗震安全性，并优化进水口设计使其达到技术可行、经济指标最优。本文主要利用ANSYS软件建立模型，采用三维有限元方法，研究右岸小厂房进水口塔体在静、动力状态下塔体的应力和位移的分布规律，为技施阶段塔体配筋计算提供依据。

2 基本理论及方法

2.1 反应谱分析的理论及方法

根据DL 5073《水工建筑物抗震设计规范》，进水塔地震作用效应的动力分析应考虑塔内外水体以及地基的影响，宜采用振型分解反应谱法[1]。振型分解反应谱法是在振型叠加法的基础上推导出的一种近似方法。这个方法需要事先求出结构的若干个振型和频率，但是，可以直接利用标准的设计反应谱，求各振型的最大动力反应―最大绝对加速度、最大相对速度和最大相对位移。振型分解反应谱法的优点是可以采用由统计方法得到的标准反应谱，避免了选择地震加速度记录的困难，它的缺点是不能用于非线性振动情况。

我国(DL 5073)《水工建筑物抗震设计规范》中的设计反应谱曲线见图1。这个反应谱只适用于阻尼比ζ=0.05的情况。

图1 设计反应谱

对于进水塔结构，规范规定除重力坝及拱坝外，水闸、进水塔及其他混凝土建筑物，设计反应谱最大值的代表值βmax取为2.25。

采用振型分解反应谱法计算地震作用效应时，SRSS方法即为平方和方根法，是指取各阶振型地震作用效应的平方和的方根作为总地震作用效应的振型组合的方法，

(1)

式中S——组合后的地震总效应；

Sj——第j阶振型的地震作用效应；

m——计算时采用的振型数目。

CQC方法即为完全二次型方根法，是指取各阶振型地震作用效应的平方项和不同振型耦联项的总和的方根作为总地震作用效应的振型组合法，即

(2)

(3)

式中ρij——第i阶和第j阶的振型相关系数；

ζi、ζj——分别为第i阶和第j阶振型的阻尼比；

γw——圆频率比，即γw=ωj/ωi；

ωi、ωj——分别为第i阶和第j阶振型的圆频率。

当结构的特征频率相差比较大时，各振型的地震响应可以看作是相互独立的或者是不相关的。此时结构的最大地震响应的平方近似等于振型相应最大值的平方和，结构的最大响应可以用SRSS方法求得。如果结构的特征频率非常接近，SRSS方法计算的误差往往会很大，此时应采用CQC方法。因此，《水工建筑物抗震设计规范》规定，当两个振型的频率差的绝对值与其中一个较小的频率之比小于0.1时，地震作用效应宜采用完全二次型方根法组合。

2.2 水体动水压力的附加质量

水工抗震设计中，坝体-库水系统相互作用是一个重要的研究课题。因此，在考虑挡水建筑物时，必须考虑水体对其的影响。进水塔的运动受水体的质量和弹性影响，地震时，进水塔迎水面上的水压力将发生变化，这种变化的水压力称为地震动水压力。

在ANSYS中，动水压力是通过其内置的附加质量单元MASS21单元来实现的。MASS21单元是一个点单元，它具有六个自由度分别是X、Y、Z方向的平动自由度和绕X、Y、Z轴的转动自由度，在每个坐标方向上可以定义不同的附加质量和转动惯量[2]，通过实常数将附加质量施加到模型中。

3 计算模型及参数

3.1 计算参数

进水塔混凝土为均质各向同性线弹性材料。塔体大体积混凝土结构部分的强度等级为C25；门槽二期混凝土结构强度等级为C30，塔背及两侧回填混凝土强度等级为C15。塔体地基按地质剖面图大致可划分为Ⅲ2、Ⅳ类，基岩计算参数均按中限取值。计算参数材料表取值见表1。

表1 材料参数

3.2 计算模型

本次研究的对象是右岸小厂房进水口塔体，相应的计算模型是依据右岸小厂房进水口塔体结构图而建立的，模型包含塔体进口流道底板、流道边墙、流道顶部及塔身、门槽及二期混凝土、通气孔、回填混凝土及周围岩体。塔体计算模型以塔体为中心，底部混凝土建基面高程1 458.00m，塔高23.5m，向前、后侧岩体各取20m，向左、右侧岩体各取20m，向下侧岩体取20m。塔体结构三维有限元模型采用SOLID45实体八结点六面体及其退化的四面体单元。整个模型结点总数为155 912，单元总数为151 144。网格划分考虑了结构的受力特征，在可能发生应力集中的部位密集一些，从塔体内部流道周围，门槽及通气孔四周由内往外逐渐放大单元尺寸。整体计算模型见图2。

3.3 计算荷载

计算荷载包括自重、静水压力、扬压力、温度荷载及地震荷载。上游正常蓄水位为1 476.00m，校核洪水位1 478.97m。

模型分析时，按常规计算方法进行，采用无质量地基、位移边界法固定边界约束。材料模型均采用线弹性本构理论，动力计算时均采用振型分解反应谱法，设计反应谱地震输入。

地震激励按顺水流向(X向)、横水流向(Y向)及竖直向(Z向)三个方向输入。《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073-2000)提出“竖向设计地震加速度的代表值αv应取水平向设计地震加速度代表值的2/3”。则水平两向激振的地震加速度为220cm/s2，竖直向激振的地震加速度取 146.67cm/s2。

地震设计反应谱按《水工建筑物抗震设计规范》(DL 5073)确定，结构自振特征周期Tg取0.20s，结构设计反应谱最大值的代表值βmax取2.25，反应谱下限值的代表值βmin取最大值代表值的20%，其中阻尼比取0.05。

图2 进水塔三维有限元计算模型

根据《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073)，用动力法计算地震作用效应时，地震动水压力按附加质量考虑，将动水压力折算为与单位地震加速度相应的结构面附加质量，实常数中设置了方向性。本文考虑了塔外、塔内的三个方向的附加质量，以Mass 21单元的形式计入模型中。

3.4 计算工况

根据闸门启闭等情况，对荷载组合[3]按照以下工况进行计算：

工况1：结构自重;

工况2：结构自重+温降5℃;

工况3：正常蓄水位+结构自重+温降5℃+扬压力;

工况4：校核洪水位+结构自重+扬压力;

工况5：正常蓄水位(闸门关闭挡水)+结构自重+扬压力；

工况6：正常蓄水位工况+地震荷载(三向)。

4 计算结果及分析

对于各种计算工况，采用三维计算方法计算出每个节点和单元的应力和位移，限于篇幅，本文仅给出部分计算成果。

4.1 自振频率

计算提取塔体在空库和满库下的前20阶自振频率、主震方向及振型参与系数，表2仅列出前10阶自振频率。

表2 进水塔的自振频率

由表2塔体空库和满库的频率可知，在满库工况下由于附加质量的影响，结构振动频率相对空库时变小，这与在刚度不变的情况下，质量越大，频率越小的规律是相符的。满库挡水情况下，塔体的基频较空库情况塔体基频降低约28%。振型特征方面，空库与满库工况下，塔体结构前三阶振型分别表现为塔体上部结构横水流向摆动、顺水流向摆动和竖向摆动。

4.2 位移

进水塔塔体在各个工况下的最大位移成果见表3。说明：X方向为顺水流方向，指向下游为正；Y方向为为横水流方向；Z方向为竖直方向，向上为正，方向符合右手法则。进水塔位移总趋势为：顺河向水平位移UX与横向位移UY均基本上以流道中心线呈对称分布，位移值很小；而竖向位移UZ随结构桩号增大而减小，各工况的最大竖向位移均发生在塔体的顶部。地震工况下，进水口结构顶部的位移较静力工况有明显增加，其中顺水流和横水流水平向结构刚度较低，且输入地震加速度值最大，因此其水平位移值增加最大，而竖向位移相对较小。各工况下进水塔位移均能满足规范要求。

由表3位移值可以看出，各工况下，塔体变形不大，最大位移发生在工况2和工况6，顺水流向、横水流向、竖向最大值分别为0.689mm，1.729mm，1.812mm。

表3 塔体各部位位移最大值统计 mm

4.3 应力

由表4应力成果可以看出，各工况下，大部分工况，顺水流向最大值发生在纵撑部位，横水流向最大值发生在横撑部位，最大值都发生在地震工况下。在施工完建期，且温度降低时，底板在自重作用下受温降的影响，产生收缩变形，底板上层受拉，在底板底面与通气孔与流道顶部均发生局部高应力区域。在地震工况下，顺水流向最大应力发生在纵撑与胸墙交界处，横水流向最大应力值发生在横撑与栅墩交界处，都发生在局部的小范围内，对整个结构的影响较小，可以通过局部加筋来提高结构的整体受力状况。塔体最大压应力发生在工况4，最大压应力为-1.78MPa。

表4 塔体各部位拉应力峰值统计 MPa

4.4 结构配筋

结构的配筋设计首先应该能够满足承载力的要求。在《水工混凝土结构设计规范DL/T5057》附录H中对结构承载力配筋做出了较为明确的规定，规定中说明：无法按照杆件结构力学方法求得截面内力的钢筋混凝土结构，可由弹性力学分析方法或试验方法求得结构在弹性状态下的截面应力图形，再根据主拉应力图形面积，确定配筋数量[4]。当材料的本构关系等因素已确定时，可用钢筋混凝土有限元分析方法对应力分布进行分析。根据此原则，对黄金坪右岸小厂房进水塔结构配筋原则见表5。