地震作用下某水电站进水口拦污栅墩塔间设置八字形连梁影响分析研究

袁 洁，张俊发

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安 710048）

地震作用下某水电站进水口拦污栅墩塔间设置八字形连梁影响分析研究

袁 洁1，张俊发2

（1.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072；2.西安理工大学土木建筑工程学院，陕西 西安 710048）

对某水电站3号进水口拦污栅墩塔间设置八字形连梁与不设置八字形连梁两种情况在地震作用下的影响进行了分析。结果表明：取消八字形连梁对拦污栅墩的受力影响不大，对普通连梁的弯矩影响较大，主要表现在垂直于进水方向地震作用下，八字形连梁高程处墩塔普通连梁的弯矩较未取消八字连梁前增加接近一倍。本研究结果可为水电站进水口设计提供科学依据和技术支撑。

进水口；八字梁；地震作用

1 工程概况

某水电站是澜沧江中下游河段的第一级水电站，坝址控制流域面积9.72万km2，多年平均流量1 010 m3／s。工程开发任务以发电为主。电站装机4台，总装机容量900 MW，多年平均年发电量40.41亿kW·h。枢纽工程由碾压混凝土重力坝（最大坝高105 m）、坝身泄水建筑物、右岸地下引水发电系统及地面开关站等建筑物组成。

电站进水口采用“一机一孔”布置方式，共四孔，从左至右依次为1～4号进水口，每孔间布置结构缝；进水闸顶部总长度122 m，其中1号进水闸长38 m，其他三孔闸均为28 m。各孔闸顺水流方向由拦污栅、闸门、启闭机布置及交通要求确定顶宽为30.5 m（包括上游牛腿），依次分为拦污栅段、连接段、闸室段和方变圆渐变段。拦污栅采用通仓式布置，设置有主、副两道拦污栅，主、副栅均分为5孔。闸室段设置有平板检修闸门槽和快速事故闸门槽各一道，检修门孔口尺寸为11 m×12 m，事故门孔口尺寸为11 m×11 m，每个事故门后设两个通气孔，通至1 310 m高程。事故闸门后以长度约16.7 m的方变圆渐变管段与直径11 m的引水隧洞连接。

进水口拦污栅及闸室规模较大，进水口内设置的检修门槽、工作门槽以及引水管等孔洞导致其成为复杂的空间结构，同时进水口还承受上游水库水压力，且工程区地震烈度较高，拦污栅、进水口结构的静、动力结构反应是设计时十分关心的问题。为评价进水口的静、动力结构强度、稳定情况，评价目前的进水口设计方案，为施工详图设计工作提供依据，有必要对进水口结构进行计算分析研究。设计方案中，拦污栅的3号、4号墩位于进水洞口的正前方。在进水洞口高度范围内，3号、4号墩与塔身的连梁只能连于洞口的左右两侧，从平面图上看呈八字形，故称八字形连梁。本研究结合3号进水口对八字形连梁的受力特点和取消八字形连梁后的影响进行分析。

2 计算基本资料

2.1 进水口地质条件

进水口位于右岸6号、7号沟之间中陡斜坡下部（坡度35°～40°），地形较整齐。该部位边坡高陡，除局部小冲沟内分布有少量洪积碎石土外，大部分地段基岩裸露。进水口基础岩性以变质砂岩、石英砂岩为主（占64%以上），建基高程1 245～1 275.50 m，进入弱风化中，属Ⅲ1类岩体。

岩层产状为NW 350°SW∠65°。岩体中断层、裂隙较发育，断层主要为NW 335°～360°SW∠60°～80°的一组；断层规模较小，破碎带宽度一般为10～50 cm，多充填岩屑、岩块及少量断层泥，未胶结。

2.2 地震烈度

根据DL5073－2000《水工建筑物抗震设计规范》，本工程抗震设防类别为乙类，其设防烈度为Ⅶ度。根据场地50年、100年不同超越概率水平的地震烈度值计算结果，坝址场地50年超越概率为10%时地震烈度值为Ⅶ度，100年超越概率为2%时地震烈度值为Ⅷ度。坝址场地50年超越概率10%基岩水平加速度峰值为143.1 Gal，100年超越概率2%基岩水平加速度峰值为257.1 Gal。

2.3 基岩、混凝土力学参数

（1）基岩。有限元计算中主要材料的物理力学参数见表1。建基面摩擦系f′＝0.75；建基面粘聚力c＝600 kN／m2；回填石渣容重γ＝22 kN／m3；石渣内摩擦角为35°。

表1 主要材料的物理力学参数

（2）混凝土。拦污栅排架混凝土采用C25，进水口闸体均按C20混凝土考虑。

3 计算原理和方法

本文计算分析主要按照《水工建筑物抗震设计规范》［4］执行，但因规范［4］对结构变形的验算未作规定，故本文对地震作用下的变形验算参照《建筑抗震设计规范》中的规定执行。内力分析及变形计算使用有限元法，基本方程如下［1－3］：

3.1 对于静力问题

式中 ［K］——为总体刚度矩阵；

｛U｝——为结构结点位移向量；

｛F｝——为荷载向量。

3.2 对于地震作用的动力问题

式中 ［M］、［C］、［K］——分别为总体质量、阻尼和刚度矩阵；

可以使用振型分解法将（2）式的联立微分方程组变为独立的微分方程组，进而可使用振型叠加法求结构的动力响应。

地震反应的计算，采

用振型分解反应谱法［1，2］。分别对沿进水方向（x向）和垂直于进水方向（y向）的地震输入进行了计算，沿x向、y向单向水平地震作用下所得的地震作用效应采用完全二次型方根法（CQC法）各振型的反应组合，计算按下式［4，5］进行：

式中 ζ——为地震作用折减系数，对钢筋混凝土结构，内力反应取ζ＝0.35，位移反应取ζ＝1.0；

SEk——地震作用效应标准值；

Si、Sj——分别为第i阶、第j阶振型的地震作用效应；

m——计算采用参与振型数；

ρij——第i阶和第j阶的振型相关系数；ζi、ζj——分别为第i阶、第j阶振型的阻尼比，本报告中均取0.05；

γω——圆频率比，γω＝ωj／ωi；

ωi、ωj——分别为第i阶、第j阶振型的圆频率。

由（3）式或（4）式可见，采用振型分解反应谱法计算地震反应时，所得地震作用效应为正值，因此，在与其他荷载工况组合时，须按“＋地震作用”和“－地震作用”两种情况去考虑［6，7］。如最大拉应力是由“＋地震作用”的组合工况去确定，而最大压应力则是由“－地震作用”的组合工况去确定。再如由“＋X地震作用”的组合工况所得结构某截面的正应力云图中出现的拉应力区，是表示沿X方向往复地震动所引起的，这和不同静力荷载工况组合下的结果有所不同。

本报告采用振型分解反应谱法计算地震反应，使用规范［4］中的反应谱（见图1）。考虑到进水口坐落于基岩之上，场地类别定为Ⅰ类，按照规范［4］第4.3．6条的规定，反应谱特征周期取值为Tg＝0.2 s。地面水平加速度峰值ah取坝址场地50年超越概率10%基岩水平加速度峰值，即为143.1 Gal，动力系数最大值βmax取为2.25，由此推出的水平向加速度反应谱如图2所示。

图1 《水工建筑物抗震设计规范》中的反应谱

图2 水平向地震加速度反应谱

进水口地震作用效应的动力效应分析须考虑塔内外水体的影响，本研究采用了规范［4］第10.1.6条推荐的附加质量法加以考虑。

在本研究的计算中，分下列5种单独荷载作用情况（见表2），不同的分析工况（荷载组合工况）由它们组合计算。

表2 计算中的荷载情况

承载能力设计中，应采用下列极限状态设计表达式：

本进水口属2级水工建筑物，重要性系数取为1.0。结构系数γd取为1.20。用于承载力设计的各工况各系数取值如表3。需要特别指出的是，建筑规范中采用两阶段设计的方法，分别基于多遇地震和罕遇地震，给出了多遇地震下的弹性变形限值。而水工规范采用的是基于偶遇地震（基本设防对应地震动参数）的一阶段设计方法，两者不一致。但对偶遇地震的作用效应乘以0.35的折减系数以后，则和建筑规范中的多遇地震是基本一致的。

表3 不同分析工况下承载能力设计中各系数取值

结构构件正常使用极限状态应分别按作用（荷载）效应的短期组合和长期组合进行设计。对短期组合，应采用下列设计表达式：对长期组合，应采用下列设计表达式：

式中 c1、c2——为结构的功能限值；

Ss、S1——为作用（荷载）效应短期组合和长期组合式的功能函数；

fk——为材料强度标准值；

ρ——为可变作用标准值的长期组合系数；γd3、γd4——为正常使用极限状态短期组

合、长期组合的结构系数。

地震作用下的变形验算根据《建筑抗震设计规范》可采用下式：SE（·）≤c3，其中，SE为地震作用效应的功能函数；c3为结构的功能限值。

4 墩塔间设置八字形连梁的影响分析

4.1 八字形连梁的受力特点

本研究采用有限元结构分析软件进行静动力分析［8］。图3～5给出了进水方向地震作用下，八字形连梁所在高程的各墩塔间连梁的弯矩My、剪力Fy和轴力FN。可见：八字形连梁承受的弯矩略小于普通连梁；剪力不及普通连梁的一半；但轴力是普通连梁的3倍左右。

图6～8给出了垂直于进水方向地震作用下，八字形连梁所在高程的各墩塔间连梁的弯矩Mz、剪力Fx和轴力FN。可见：八字形连梁承受的弯矩略小于普通连梁；剪力略小于普通连梁；但轴力是普通连梁的10倍左右。最后一点是八字形连梁的重要受力特点之一。八字形连梁所在高程的各墩塔间连梁与前方的墩间连梁、后方的塔身，可认为形成一个框架结构体系。但八字形连梁因斜向布置，类似于桁架结构中的斜腹杆，在垂直于进水方向地震作用下，塔、墩间会产生左右错动，导致八字形连梁产生很大的轴力，随着地震作用的往复，八字形连梁轴力时拉时压，这一受力特点，设计中应予以考虑。

图3 3号进水口进水方向地震作用下八字梁弯矩（My）（单位：N·m）

图4 3号进水口进水方向地震作用下八字梁轴力（N）（单位：N）

图5 3号进水口进水方向地震作用下八字梁剪力（Fz）（单位：N）

图6 3号进水口垂直于进水方向地震作用下八字梁弯矩（Mz）（单位：N·m）

图7 3号进水口垂直于进水方向地震作用下八字梁轴力（N）（单位：N）

图8 3号进水口垂直于进水方向地震作用下八字梁剪力（Fy）（单位：N）

4.2 取消八字形连梁后的影响分析

八字形连梁位于进水洞口的正前方，会影响到进水的流态，从水力学的角度分析，取消它为佳。下边对取消八字形连梁后从结构受力上的影响进行分析。

图9～10给出取消八字形连梁后在进水方向地震下墩的弯矩My图，和整体结构x向位移图。与原设计比较：

（1）墩的弯矩My在八字形连梁的高程处有了明显的增加。最大值仍发生于中上部，最大值为1 150 kN·m，反而比原方案的1 240 kN·m降低了7.26%；

（2）整体结构x向位移为4.53 mm，比原设计的4.49 mm仅高出了0.9%。

图11～13给出取消八字形连梁方案在垂直于进水方向地震下墩的弯矩Mx图、八字形连梁的高程处墩塔连梁的弯矩Mz图和整体结构y向位移图。与原设计比较：

（1）墩的弯矩Mz在八字形连梁的高程处有了明显的增加。最大值仍发生于中部及下部，最大值为1 130 kN·m，比原方案的816 kN·m高出了38.5%；

（2）八字形连梁的高程处墩塔普通连梁的弯矩Mz的最大值为185.3 kN·m，比原方案的95.2 kN ·m高出了94.6%；

（3）整体结构y向位移为11.01 mm，比原方案的10.05 mm高出了9.56%。

从以上分析可见：取消八字形连梁对拦污栅墩的受力影响不大；在垂直于进水方向地震下八字形连梁的高程处墩塔普通连梁的弯矩Mz将近增加一倍。

图9 3号进水口去八字梁后进水方向地震作用下拦污栅墩弯矩（My）（单位：N·m）

图10 3号进水口去八字梁后进水方向地震作用下的x向位移（m）（标准值）

图11 3号进水口去八字梁后垂直于进水方向地震作用下拦污栅墩弯矩（Mx）（单位：N·m）

图12 3号进水口去八字梁后垂直于进水方向地震作用下弯矩（Mz）（单位：N·m）

图13 3号进水口去八字梁后垂直于进水方向地震作用下的y向位移（m）（标准值）

5 结论与讨论

通过对某水电站3号进水口拦污栅墩塔间是否设置八字形连梁两种情况在地震作用下的影响进行分析，可以得出以下结论：取消八字形连梁对拦污栅墩的受力影响不大，对普通连梁的弯矩影响较大，主要表现在垂直于进水方向地震作用下，八字形连梁高程处墩塔普通连梁的弯矩较未取消八字连梁前增加接近一倍。本研究结果可为水电站进水口设计提供科学依据和技术支撑。

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TV732.2

A

1003－9805（2015）02－0010－05

2014－07－10

袁 洁（1983－），女，河南许昌人，硕士，研究方向为水电工程结构计算。