岸塔式进水口结构抗震分析

程汉昆（大连市水利规划设计院，辽宁大连116021）

岸塔式进水口结构抗震分析

程汉昆
（大连市水利规划设计院，辽宁大连116021）

采用有限单元法对某水电站进水口结构抗震性能进行了数值仿真计算。选取了进水口典型结构，分别分析其在设计地震动及校核地震动激励下结构的静、动力特性，得出该进水口抗震性能良好的结论，给出了结构抗震的薄弱部位。从而为该进水口的施工及类似研究提供科学依据。

抗震分析；有限单元法；进水口；反应谱法

0 引言

水电站进水口位于输水系统首部，其功能是按负荷要求引进发电用水。水电站进水口可分为有压进水口及无压进水口两大类，其中有压进水口又可以分为竖井式进水口、岸塔式进水口、塔式进水口及坝式进水口[1]。

某水电站进水口为岸塔式进水口，总宽度为87.0 m，顺水流方向长度为28.5 m，塔高34.0 m。进水口顺水流方向分为拦污栅段和闸门段，塔顶设双向门式启闭机一台，用于起吊拦污栅和检修门。本文以该水电站岸塔式进水口为算例，计算考虑进水口、地基、山体、水体之间相互作用下的水电站进水口在遭遇设计地震动及校核地震动情况下结构的静、动力特性。以期对该进水口的施工及类似研究提供科学依据。

1 计算模型与计算荷载

1.1 计算模型

根据进水口平面布置图，建立了三维有限元计算模型。进水口边墩、中墩、横墙、楼板采用shell63壳单元，梁结构采用beam188单元，其他混凝土结构、地基采用实体solid45单元，附加质量采用mass21三方向质量单元。进水口齿槽底部高程为2 681.5 m，进水口前沿进水底板高程为2 690.0 m；塔顶高程为2 721.0 m。为了避免地基对地震效应的放大作用以及地震波反射对结构的影响，半无限域地基按照传统无质量地基模型进行模拟，底部采用固定约束，四周采用黏弹性边界[5]。

计算模型坐标选取如下：顺水流水平方向为X轴，指向下游为X正方向；垂直X轴水平方向作为Y轴；竖直向上为Z轴，Z轴与X，Y轴成右手定则。

1.2 计算荷载

计算荷载分静力和动力两种工况。其中静力工况计算荷载分为：①结构自重；②塔体内外静水压力；③回填土压力；④扬压力；⑤风压力；⑥浪压力；⑦进水塔拦污栅前后水头差取水压差标准值4 m水头。动力工况计算荷载主要考虑结构地震惯性力和塔体内外动水压力对进水口结构整体动力响应的作用。动力计算考虑结构在顺水流方向和横水流方向两个方向的地震作用，地震反应谱根据《水工建筑物抗震设计规范》[2]中规定选取，具体参数见表1。

2 计算方法

2.1 基本假设

在静动力计算过程中采用了以下假设：①混凝土和岩体均认为是线弹性介质，不考虑其塑性变形效应；②一般测得的地震波大都为地表加速度波谱。鉴于有质量地基会对地震波产生放大和扭曲作用，计算借鉴抗震计算较为成熟的经验，岩质地基部分采用无质量地基模型。

表1 地震设计动参数

2.2 静力分析

静力计算采用有限单元法。有限单元法是利用弹性理论和计算机软件求解数值方程的一种数值分析方法，也是解决大型复杂结构或者多自由度体系等工程实际问题一种非常有效的计算工具。有限元分析中最基本的思想是单元离散，即将复杂的连续体结构剖分为数量和尺寸有限的若干单元，然后就各单元进行分析，最后集成求解整体位移，进而求解单元变形及内力[4]。

2.3 动力分析

①动力计算基本运动方程为：

式中：M，C，K分别为结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵分别为结构的加速度向量、速度向量和位移向量为结构的外荷载矩阵。

②动力分析采用反应谱法[3]。反应谱采用规范建议的标准化设计加速度反应谱。此反应谱只适用于阻尼比ξ＝0.05的情况。当阻尼比不等于0.05时，须利用式（2）进行修正。设计反应谱参见图1。

图1 地震反应谱特征曲线

式中：β0为相应于λ0=0.05时的标准值；β为其他阻尼比对应的设计反应谱。

③根据规范[2]，用动力法计算进水塔地震作用效应时，分别以塔体内外表面附加质量来考虑塔内外动水压力，计算公式如下：

式中各符号意义详见规范[2]。

3 计算结果及分析

3.1 自振特性分析

通过三维有限元计算，提取前20阶振型频率列于表2中。

表2 进水口自振频率（Hz）

塔体结构平面尺寸及断面内混凝土实体部分面积均较大，加之边墩与中墩上部有横墙相互连接，中下部横水流方向墩墙之间有横梁支撑，顺水流方向有纵梁与闸墩相连，使得塔体整体刚度相对较大，塔体固有频率较高。主要薄弱构件是进水塔前端的拦污栅墩，地震反应较突出。

第一阶自振频率为6.5 Hz，对应自振周期为0.154 s，在地震反应谱卓越周期范围（0.1～0.45 s）之内，但小于特征周期Tg=0.45 s。塔体结构整体刚度较大，设计上对地震安全是有利的。

3.2 静力成果分析

在静力荷载作用下，最大静位移发生在塔体楼板上，最大值为3.12 mm，变形量值不大。在正常蓄水位工况各种静力荷载组合作用下，进水口有向上游倾倒变形的趋势。上下游方向和竖向位移对总位移起到主要贡献作用。

通过有限元计算结果可以看出，闸门槽大体积混凝土结构以竖向压应力为主，最大压应力超过1.77 MPa。楼板以水平顺河向正应力为主，最大值不超过1.0 MPa。横墙以水平Y向正应力为主，最大值0.98 MPa。拦污栅闸墩以自重产生的竖向压应力为主，最大值1.8 MPa。各部位应力最大值均出现在构件的联结部位，分布面积不大，属局部应力集中现象。

3.3 动力成果分析

3.3.1 动位移分析

表3给出了进水口分别在设计地震动及校核地震动激励下在x，y，z三个方向的动位移最大值。

表3 动位移最大值计算成果 （mm）

由表3可以看出，结构的总位移起决定性贡献的是地震动作用方向的位移，垂直地震动作用方向的位移分量对总位移贡献不大。在设计和校核地震动作用下，进水塔顶部位移较大，呈现出高耸悬臂结构的特征。

进水塔地震鞭梢效应不显著，是由于没有设置机房等柔性较大的构件，且进水塔自身结构刚度较大的原因。

3.3.2 动应力分析

表4给出了进水口分别在设计地震动及校核地震动激励下的第一主应力计算值。

表4 第一主应力计算成果 （MPa）

通过表4可以看出进水口结构地震应力不十分突出，说明塔体结构整体动态强度通过配筋设计等可以得到保证。局部应力集中现象不可避免，主要集中在拦污栅墩、不同断面过渡和构件连接部位，这些部位大多是第一主应力出现的位置，是抗震设计需要重点关注的。

4 结论

1）塔体平面上作为矩形结构，各水平向抗弯刚度相差不大，比较对称均匀。无塔顶机房塔体高度不十分大，且背部依靠山体，加之结构断面尺寸及混凝土实体/空腔比例相对较大，塔体结构整体刚度较高，其自振频率也就比较高。

结构第一阶自振周期在地震卓越周期范围内，但小于场地地震特征周期，塔体结构设计对抗地震是有利的。

2）在静力作用下，结构应力以压应力为主，自重占主导作用，故竖向压应力分量较大。由于背靠山体，水压力作用效应相对不突出，结构水平向位移及应力均不大。

3）在设计和校核地震动单独作用下，结构反应呈现悬臂高耸结构典型特征，地震放大效应较为明显，顶部位移相对较大。

由于塔体结构刚度较大，地震鞭梢效应并不十分突出。闸门槽处设计地震放大系数在4.5左右，拦污栅墩由于横向支撑较弱，最大横河向地震放大系数在10左右，相对于高度较大或有顶部机房的进水口而言，地震放大效应相对不十分显著。

4）塔体结构地震应力不十分突出，说明塔体结构整体动态强度通过配筋设计等措施可以得到保证。局部应力集中不可避免，主要集中在拦污栅墩以及不同构件连接部位，是抗震设计需要重点关注的部位。

［1］刘启钊.水电站［M］.北京：中国水利水电出版社，2007.

［2］中国水利水电科学研究院.水工建筑物抗震设计规范（DL5073-2000）［S］.北京：中国电力出版社，2001.

［3］张继勋，任旭华，王海军.泸定水电站泄洪洞进水塔结构抗震安全分析［J］.中国农村水利水电，2010（1）：124 -127.

［4］杨乐，王海军，赵典申.高耸岸塔式进水口结构动静力特性仿真分析［J］.水力发电，2011（5）：25-28.

［5］祖戚，孟凡理.猴子岩水电站高进水塔三维有限元分析［J］.人民长江，2014（8）：63-65.

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