网架屋面对水电站地面厂房地震响应的影响

黑 灿，伍鹤皋，石长征，傅 丹(武汉大学水资源与水利水电工程科学国家重点实验室，武汉 430072)

0 引 言

地震由于其突发性和难预测性，在众多自然灾害中堪称群灾之首。我国是地震多发国，并且我国的水电开发多集中在西南地震高发区，汶川地震水电工程震害调查发现，水电站地面厂房下部大体积混凝土的震损较轻微，上部结构的震损较重[1,2]，而上部结构的地震响应与屋面结构形式关系密切。近些年随着水电站水轮发电机组单机容量不断加大，厂房跨度也随之增大，网架结构的厂房屋面优势愈来愈显著，已成为未来的发展趋势[3,4]。因此，对于网架屋面水电站厂房的抗震问题应有足够的重视。而对这种上部为钢网架下部为混凝土的混合结构体系进行设计时，往往将网架和下部支承结构分开独立设计，没有考虑两者之间的相互作用，可能导致设计偏于不安全[5]。

目前，对于网架和下部支承结构相互作用的研究多针对体育馆、火车站等空旷建筑[6,7]，对水电站厂房的研究较少。在研究体育馆等大跨度混合结构的抗震性能时发现，网架屋面结构在地震作用下的破坏多为网架杆件破坏，或下部支承连接处破坏导致网架塌落[8]。并且有研究表明包含网架的结构在地震作用下的响应与传统结构有很大不同[9]，所以有必要将网架放置于下部混凝土支承上，对两者的相互作用进行研究。在水电领域，研究网架屋面厂房的抗震性能常采用简化的模型进行有限元模拟计算：最初一般将网架结构简化为板单元，而板单元不但不能真实模拟网架本身的动力特性，还将影响墙体的动力特性；随着研究的深入，将网架用连接在上下游墙之间的刚性二力杆进行模拟[10]，但刚性二力杆的刚度显然比网架实际刚度大很多，这种刚度差异对下部混凝土结构地震响应的影响还有待研究；另外有些研究中由于资料不足，只能采用不考虑网架的上部开洞模型进行简化计算。不同的简化方式对厂房的动力特性有何种影响、其计算精度能否满足要求，这些都是值得研究的问题。此外，网架与下部支承连接方式的不同对厂房地震响应及网架受力的影响如何、采用何种连接方式比较合理，也需要进一步探讨。本文将以某水电站地面厂房为工程背景，借助ANSYS软件，采用时程分析法，对网架屋面的模拟方法和支承方式对地面厂房抗震性能的影响展开研究。

1 计算方案和条件

某水电站地面厂房顺河向长52.00 m，单个机组段宽26.50 m，高64.35 m，水平向设计地震加速度0.176 g。以一个中间标准机组段为研究对象建立整体有限元模型，模型包括厂房和地基，基岩范围由厂房向上、下游侧分别取100 m，基岩深度约为130 m。

在计算范围内，对主厂房上下游墙(排架柱)、风罩、机墩、蜗壳以及尾水管等均按实际尺寸进行模拟，网架采用杆单元LINK180，蜗壳、尾水管钢衬、座环等钢结构采用壳单元SHELL63，混凝土和垫层采用实体单元SOLID45，机组重量采用质量单元MASS21模拟在相应位置。

根据以往研究，水电站地面厂房结构在顺河向抗震性较差，本文主要关注厂房在顺河向的地震响应。计算采用时程分析法，选用Koyna实测波，最大幅值调整为0.176 g，时间长度10 s，步长0.02 s。结构的阻尼比根据《水工建筑物抗震设计规范》DL 5073-2000[11]取0.05。

对于屋面网架，参考工程中常用的网架模拟方式以及连接方式，本文共对比分析了以下5种方案，以期为网架式屋面结构的计算提供参考，具体计算方案见表1。

表1 计算方案Tab.1 Calculation schemes

注：①方案A、B、C中的网架自重按照《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010[12]进行估算；②方案C弹性连杆刚度根据实际工程情况确定。

整体模型网格和厂房模型网格如图1和图2所示，图1、图2均为方案E的模型，不同方案模型的差别仅在于网架模拟及支承方式的不同。网架模型如图3所示。

图1 整体模型网格Fig.1 The overall model meshes

图2 厂房模型网格Fig.2 Power house model meshes

图3 网架模型Fig.3 Grid model

计算边界条件为模型底部基岩的各个面施加法向约束，蜗壳进水管处钢管横截面施加法向(管轴向)约束，其他边界均为自由边界。

模型涉及的材料共4种，分别为混凝土、钢材、垫层和基岩，机组段各部位的混凝土设计强度等级均为C25，厂房基岩采用无质量地基，其变形模量采用Ⅲ1类岩体对应的变形模量值，所有材料参数见表2。

表2 模型材料计算参数Tab.2 Model material calculation parameters

2 地震响应对比分析

考虑到网架模拟方式的不同对厂房顺河向的刚度影响较大，本节将采用时程法对比分析各方案在顺河向地震作用下的响应。

2.1 混凝土结构地震响应

为分析厂房混凝土结构在不同网架模拟方式和支承方式下的地震响应，本节整理了典型部位的顺河向动位移和竖向动应力，各特征点位置见图4。相应特征点的顺河向动位移峰值和竖向动应力峰值见图5、图6。

1-上游立柱顶部；2-下游立柱顶部；3-上游立柱与牛腿交接处；4-下游立柱与牛腿交接处；5-上游墙与发电机层楼板交接处；6-下游墙与发电机层楼板交接处；7-风罩内侧；8-定子基础内侧；9-上游墙水轮机层高层外侧；10-尾水平台楼板跨中图4 特征点示意图Fig.4 Typical locations of dynamic displacement

图5 特征点顺河向动位移峰值Fig.5 The peak downstream directional dynamic displacement of typical locations

图6 特征点竖向动应力峰值Fig.6 The peak vertical dynamic stress of typical locations

5种方案各特征点的地震响应随着高程降低基本上呈下降趋势，上下游立柱顶部(1点、2点)以及上游立柱与牛腿交接处(3点)的顺河向动位移较大，上下游立柱与牛腿交接处(3点、4点)以及上游墙与发电机层楼板交接处(5点)的竖向动应力较大。下游立柱与牛腿交接处(4点)的动位移以及下游墙与发电机层楼板交接处(6点)的动应力，由于下游副厂房的支撑作用，其地震响应比上游侧相应响应量要小。比较5种方案的结果可以发现，网架的模拟方式对厂房下部大体积混凝土影响很小，对上游立柱的影响比较明显。

为了更准确、更全面地反映地震作用下的全过程情况，提取了1、2、8点的顺河向动位移时程曲线见图7。

图7 特征点顺河向动位移时程Fig.7 The downstream directional dynamic displacement time-history curve of typical locations

由图5-7可知：

(1)位于厂房上部结构的1点和2点，各方案的动位移时程曲线相差较大，位于下部大体积混凝土结构的8点，各方案的动位移时程曲线相差较小，说明不同的网架模拟方式及支承方式对厂房上部结构的地震响应影响较大，对下部大体积混凝土结构影响较小。

(2)采用简化模型计算的方案B、C与按照实际尺寸模拟计算的方案D、E的时程曲线相差很大，特别是下游侧2点，方案B、C的地震响应明显大于方案D、E的地震响应，峰值相差达50%～90%。除方案B外，各方案1点的动位移均明显大于2点的动位移，这是由于上游立柱没有水平支撑，鞭梢效应更为明显；而方案B将网架简化为刚性二力杆，1点和2点的顺河向动位移时程基本一样，这与实际情况不符。说明将网架简化为连杆支撑，特别是简化为刚性二力杆时，计算结果与实际情况相差较大，故不建议将网架简化为连杆支撑进行计算。

(3)方案A与方案D、E的时程曲线较为接近，特别是与方案E的时程曲线基本一样，各特征点的响应峰值与方案E响应峰值的差别除3点动位移(15%)和5点动应力(17%)较大外，其余均在10%左右或者更小，并且方案A的响应峰值除4点的动位移和6点的动应力稍小于(差别小于2%)方案E的相应响应峰值外，其余均大于方案E的响应峰值。说明采用不考虑网架的模型简化计算时与实际的差别相对较小，特别是当网架结构与下部支承为一端固定铰支座一端滚轴支座连接时，采用不考虑网架的简化模型能基本满足精度要求。

2.2 网架结构地震响应

按照实际尺寸模拟网架时，两端固定铰支座方案和一端固定铰支座一端滚轴支座方案的网架轴向应力最大值均出现在跨中下弦杆处。本节整理了方案D和方案E在顺河向地震作用下网架跨中下弦杆的轴向应力时程曲线，见图8。并考虑自重及屋面荷载所引起的轴向应力，将地震和静力共同作用的组合结果列于表4。

图8 跨中下弦杆地震作用下轴向应力时程Fig.8 The axial stress time-history curve of mid-span bottom chord bar under seismic excitation

由图8和表3可知：

(1)在单独地震作用下，方案D的轴向应力明显大于方案E的轴向应力，方案D网架的动应力较大主要是由于上下游立柱顺河向相对变形较大，说明相比较于两端均为固定铰支座的连接方式，一端为固定铰支座一端为滚轴支座时网架的顺河向抗震性能较好。但应注意滚轴支座的水平约束较弱，在自重及屋面荷载等静荷载作用下产生的轴向应力较大，考虑静力和地震组合作用后，一端固定铰支座一端滚轴支座连接的网架杆件轴向应力大于两端均为固定铰支座的网架杆件轴向应力，在具体设计时应注意静力及地震的共同作用。

(2)E方案中网架杆件轴向应力的组合结果达407 MPa，即使是应力较小的D方案也达308 MPa，若网架采用屈服强度较低的Q235钢材，在静力和地震的共同作用下网架很容易进入塑性阶段，甚至有可能拉断导致屋顶垮塌，即使采用Q345钢材，网架也有发生塑性屈服的可能。所以，对于网架屋面的水电站厂房，网架结构是抗震中的薄弱部位，并且不同支承方式的网架受下部支承的影响也不同，在抗震设计中应着重进行分析。

3 结 语

(1)不同的网架模拟方式及支承方式对厂房下部大体积混凝土结构的地震响应影响较小，但对上部结构的影响较大；将网架简化为连杆支撑，特别是简化为刚性二力杆时，计算结果与实际情况相差较大，不建议将网架简化为连杆支撑进行计算。

(2)相比较于连杆支撑(方案B和C)，不考虑网架的简化模型(方案A)与实际网架一端固定铰支座一端滚轴支座(方案E)的计算结果的差别相对较小，因此当缺少网架资料，特别是当网架结构与下部支承为一端固定铰支座一端滚轴支座连接时，采用不考虑网架的简化模型能基本满足精度要求，可采用不考虑网架的模型简化计算。

(3)网架结构是水电站厂房抗震中的薄弱部位，并且其地震响应受下部支承影响较大，在研究网架的抗震特性时，建议建立包含下部支承的整体模型。一端固定铰支座一端滚轴支座的网架连接方式相对于两端均为固定铰支座的连接方式，前者网架的地震响应较小，但考虑静力的组合作用后，前者的网架杆件轴力反而较大，故选取网架与下部支承的连接方式时应注意地震和静力的组合作用。

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