高耸塔柱内部水体作用下顶部机房的鞭梢效应研究

刘德宇， 赵兰浩，刘 智(河海大学水利水电学院，南京 210098)

近年来挡水建筑物大量修建，升船机的稳定直接决定河道的通航能力，目前已建成的景洪水电站的升船机采用国内外首创的水力浮动式升船机[1]，节能高效。在水力浮动式升船机正常运行时，浮筒竖井内水位变幅大，不同水位下结构对地震波的响应不同。目前对水力浮动式升船机尤其不同水位时水体与塔柱相互作用对顶部机房鞭梢效应产生的影响研究较少，鉴此，本文建立景洪水电站升船机坝段三维有限元模型，考虑顶部机房的鞭梢效应和地基的辐射阻尼效应的影响，对升船机正常运行时顶部机房和塔柱结构的动力响应进行研究，并提出升船机正常运行时的安全建议。

1 三维有限元模型及参数

1.1 有限元模型

景洪水电站升船机高92.0 m，塔柱顶部高程614.0 m，左右塔柱上部由联系梁相连，升船机左右两个塔柱各对称布置8个浮筒竖井。顶部提升机房高度为20.0 m，布置在两侧塔柱顶部。根据抗震计算的特点，建立升船机三维有限元模型，模型包括主体塔柱、主提升机房、上下闸首等，并取与升船机相连的左右两侧部分坝体，地基往下游和底部延伸1.5倍塔柱高度，往上游延伸1.5倍塔柱高度。模型中x轴为横河方向，正向指向坝体右岸；y轴为顺河方向，正向指向下游，z轴为竖直方向，正向指向上方。主提升机房桁架采用二节点杆单元模拟，部分过渡单元采用6结点实体单元模拟，其余都采用8结点实体单元模拟。三维有限元模型见图 1，图1(e)中A～F为钢柱特征点。

图1 有限元模型及特征点分布图Fig.1 3D finite element model and feature points distribution diagram

1.2 计算参数

计算模型材料参数见表 1。根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-97)[2]规定，地震作用下坝体和升船机混凝土的动强度和动弹性模量均在静态的基础上提高30%。

表1 材料参数表Tab.1 Material static parameter table

根据《水工建筑物抗震设计规范》(SL203-97)[2]规定，本文按照8级地震标准设计反应谱反演得到3个方向地震波时程曲线，每一个方向的地震波包括加速度、速度和位移信息，水平向设计加速度为0.23g，竖向加速度取水平向的2/3，并对三条地震波进行自相关和互相关检查。图2分别为3个方向的地震加速度时程曲线。

图2 加速度时程曲线Fig.2 Time-history curves of acceleration

为了研究复杂工况下顶部机房的鞭梢效应，本文分别进行3个工况下的计算，首先升船机塔柱顶部机房不参与运算，仅考察塔柱在浮筒竖井高水位下的动力响应(工况一)，再令顶部机房参与运算，考察塔柱和机房分别在高水位(工况二)和低水位(工况三)下的动力响应。以黏弹性边界波动输入地震波模拟散射波的辐射和地基弹性恢复能力[3]，采用时程分析法计算升船机塔柱和顶部机房不同工况时在三向地震作用下的位移和加速度响应。

2 竖井内水位变化对鞭梢效应的影响

2.1 模态参数

经自振特性计算得塔柱与机房结构的自振频率，表2给出浮筒竖井内水位为547.75 m(低水位)和591.66 m(高水位)时的模态参数，可见竖井内水位升高到591.66 m后前五阶自振频率相应增加，振动方向却没有改变。

表2 模态参数Tab.2 Model parameter

由表2可见，竖井内水位升高后塔柱和机房结构的自振频率显著减小，降低了5%～18%，其中第一阶频率减小12.5%，第二阶频率减小5%。

2.2 结构动力响应

主提机房两边钢柱高20 m，现以塔柱顶为零基准在顶部机房钢柱结构上取6个特征点，如图 1(e)在模型中按顺序标注。图 3为机房钢柱沿高程位移曲线。

图3 机房钢柱沿高程位移Fig.3 Displacement curves along the elevation changes

由图 3可见竖井内充水至591.66 m后顶部机房钢柱位移显著增大，在钢柱顶部位移增幅最明显，x向位移增加66%，y向位移增加39.9%。图4是机房顶部位移时程曲线，可见虽然竖井内充水后结构的自振频率减小，但是结构的位移响应却增加。

图4 机房钢柱顶部位移时程曲线Fig.4 Time-history curves of the engine room

图4给出了地震作用下x向和y向加速度沿高程变化曲线，x向加速度沿高程增加，y向加速度在特征点E处发生突变，主要是由于此处尺寸显著减小结构形式突变，导致顺河向的刚度发生明显的变化，钢柱顶部x向加速度相对于底部加速度的放大倍数也显著增大，放大6.23～6.76倍，在厂房横梁处增加的速率变大，y向加速度也在此处加速度开始减小。由图 4可见竖井充水至高水位后顶部机房各特征点加速度增加了23.2%～45%，其中在特征点E即15 m处加速度增加45%，机房顶部加速度增加36.8%。

图5 机房钢柱加速度沿高程变化曲线Fig.5 Acceleration curves along the elevation changes

竖井内水水位变化对顶部机房的鞭梢效应影响复杂，虽然竖井内水位上升使塔柱与顶部机房结构的自振频率减小，竖井内的水体与竖井相互作用，相当于调谐质量阻尼器，起到了减震的作用；但是在高水位工况下顶部机房的位移和加速度均显著增大，竖井内水体增多一定程度上增大了整体结构的惯性力，在地震作用下结构产生位移和加速度变大。

3 结 语

本文结合结构的自振特性和地震响应进行鞭梢效应研究，对振动台模型试验得出的结论[4]给予了补充。结果显示，在升船机正常运行时随着竖井内水位升高，顶部机房的自振频率降低，但是并没有起到减震的效果，顶部机房位移和加速度响应显著增大，机房顶部发生较大扭曲变形和振动破坏，建议顶部机房加强抗震防护，保证运行安全。

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[1] 刘金堂，曹以南，凌 云，等.景洪水力式升船机设计研究[J]. 水力发电，2008,34(4)：43-45.

[2] SL203-97，水工建筑物抗震设计规范[S].

[3] 何建涛，马怀发，张伯艳，等.黏弹性人工边界地震动输入方法及实现[J].水利学报，2010,41(8)：960-969.

[4] 孙 斌，宫必宁，孙 冕，等.景洪水电站升船机塔楼的振动台模型试验[J].水电能源科学，2009，27(1).122-125.