重力坝抗震安全评价及配筋效果研究

2017-11-21薛兴祖

东北水利水电 2017年11期

关键词：闸墩重力坝主应力

王倩,薛兴祖,侯薇

(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林长春 130000)

重力坝抗震安全评价及配筋效果研究

王倩,薛兴祖,侯薇

(吉林省水利水电勘测设计研究院,吉林长春 130000)

为研究重力坝闸墩坝段的抗震安全性能及优化钢筋配置方案,按照新版抗震设计规范要求,采用振型分解反应谱法和时程分析方法,进行线弹性动力响应计算.校核该坝的极限承载力并对比验证时程分析和反应谱分析结果.基于Drucker-Prager弹塑性本构模型进行非线性动力分析,对比不同配筋方案的减震效果.结果表明:该闸墩坝能够满足新版抗震设计规范的要求.在闸墩与堰面交界面及坝踵处,配置普通钢筋和在局部应力集中部位配置预应力钢筋,能够有效提高重力坝的抗震性能.

混凝土重力坝;抗震安全评价;非线性动力分析;配筋

1 概述

重力坝多建于地震频发地区,开展抗震安全评价十分必要且意义重大.其中,材料力学法与有限元法是现行NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》所推荐的两类验算方法.规范规定对于坝高较大、建筑物抗震设防等级较高或结构和地基条件复杂的重力坝,除了应采用动、静力的材料力学法计算,还应补充振型分解反应谱分析、时程分析和非线性分析进一步论证.对于溢流坝闸墩与堰面交接部位等抗震薄弱部位,应加强配筋设计.

国内外学者也对此开展了深入的研究.Chopra[1]认为在设计大坝时,只有极少数在强震区的混凝土坝允许有限开裂.林皋[2]深入总结了汶川地震中典型大坝的震害特点,指出减小重力坝震害的关键在于对坝体头部和坝踵等存在应力集中的薄弱部位采取有效的抗震措施.Martin[3]基于刚体平衡方程和梁理论开发了一款重力坝计算机辅助设计软件(CADAM),用于应力、裂缝和安全系数的分析计算.范书立和丁柱[4,5]分别结合新旧两版抗震设计规范开展重力坝抗震安全评价.张楚汉[6]总结了高混凝土坝抗震安全评价的最新研究成果,指出包括动力损伤分析在内当前研究所面临的关键问题.钱声源[7]基于ADINA软件的非线性接触模型研究复杂层状地基条件下重力坝的抗震性能.陈立和申振东[8,9]分别基于混凝土塑性损伤模型和弥散裂缝模型开展对大坝地震损伤破坏的模拟.

文中基于新版抗震规范,针对某重力坝闸墩坝段进行抗震安全评价,并结合Druck-Prager非线性模型的分析结果,研究不同配筋方案对大坝抗震性能的改善效果.

2 计算参数及分析方法

某碾压混凝土重力坝,闸墩坝段坝高86.54 m,工程规模为大(1)型,地震基本烈度为7度,最大可信地震加速度按100年超越概率为0.01的概率法确定取值为0.172 g.大坝及泄水建筑物按500年一遇的洪水设计,10 000年一遇的洪水校核.其上下游正常蓄水分别为263.5 m和195.7 m,校核洪水位为268.5 m和203.7 m.坝体内部碾压混凝土(RV)和上游外部碾压混凝土(RIII)强度等级分别为C9015和C9020.坝基垫层常态混凝土(CV)及闸墩常态混凝土(CIV)强度等级分别为C2820和C2840.图1给出了闸墩坝段基本几何参数和静力荷载示意图.

图1 闸墩坝段计算模型

计算地震作用效应,采用振型分解反应谱法分析时,各阶振型按照完全二次型方根法组合:

式中:SE表示地震作用效应,Si表示第i阶振型的地震作用效应,m为计算采用的振型数(计算中忽略地震作用效应不超过5%的高阶振型影响),ρij表示第i阶和第 j阶的振型相关系数.

时程分析后处理遍历ANSYS结果的所有时间荷载步,搜寻第一主应力最大值和第三主应力最小值,然后赋予结果数据库,再后处理得到的坝基处应力幅值曲线,与振型分解反应谱法进行对比.

重力坝的非线性分析采用Drucker-Prager(DP)屈服准则,DP准则是在Von-Mises准则基础上考虑平均主应力对抗剪强度影响而发展的一种准则.

其中:σm为三个方向的平均应力,M同Von-Mis⁃es准则中的常系数矩阵.材料常数β和屈服强度σy可表示为:

这里DP模型所采用的参数包括:材料黏聚力c=1.3MPa,内摩擦角 φ=46.4°,膨胀角 φf=φ .根据计算的坝体塑形区发展和应力状态确定配筋方案,配筋分为普通钢筋和预应力钢筋两种.普通钢筋采用整体式模型,通过设置钢筋的体积配筋率和配筋方向来模拟.预应力钢筋采用等效荷载法.也即将力筋的作用以等效荷载的形式作用于结构.

3 混凝土重力坝线弹性动力响应分析

动力响应分析采用3D有限元模型,地基采用无质量地基模型,静弹模取1.2GPa,动弹模取静弹模的1.5倍.地基按照坝高的1.5倍分别从坝面上下游、坝基底向外取用.地基两侧水平向约束,地基底面全部约束,垂直河流向地基两侧面法向约束.做抗震计算时,上游水位取正常蓄水位,下游水位取最低尾水位,考虑静水压力、自重、扬压力作用影响,地震作用效应分别按照振型分解反应谱法和时程法计算.当采用时程分析法分析时,根据设计反应谱生成人工地震波,结构及地基阻尼按照规范要求比均取为10%.采用振型分解反应谱法和时程法计算图2中特征点主应力和建基面的应力分布,如表1、表2及图2所示.

在静力工况中,特征点没有出现拉应力,且最大主压应力为-7.18 MPa,能够满足要求这里不再赘述.而对于承载力极限状态的验算,最大可信地震动工况起控制作用,坝体下上游坝面混凝土抗压强度为10.97 MPa(考虑材料性能分项系数1.5、结构系数1.3、偶然设计状况系数0.85和结构重要性系数1.1),其动态抗压强度取其的1.5倍为16.45 MPa,动抗拉强度标准值取动抗压强度标准值的0.1倍,考虑各项系数后取为3.06 MPa.查表可以看出上游坝面最大第一主应力为1.10 MPa,出现在地震工况6中(静力荷载+0.172 g规范谱)的坝踵位置,小于坝基垫层混凝土设计抗拉强度3.06 MPa.最大第三主应力为-8.40 MPa,小于坝基垫层混凝土设计强度16.45 MPa.下游坝面最大第一主应力出现在下游折坡处,其值为2.00 MPa,也满足抗拉强度验算要求.最大第三主应力同样出现在该处,其值为-6.50 MPa,显然同样满足抗震应力强度要求.此外廊道处的应力集中也较严重,最大主压应力达到-1.80 MPa,最大主拉应力为0.69 MPa.虽然均能满足抗震设计要求,但在工程中还应对以上部位采取必要的抗震安全措施.

表1 特征点第一主应力

表2 特征点第三主应力

图2 特征点示意图

由图3建基面主应力分布结果(0.172 g工况)可以看出,坝踵处存在应力集中.时程分析第一主应力由坝踵处1.5 MPa迅速降至帷幕线处0.2 MPa,在此工况下帷幕处存在一定的拉应力.而第三主应力由坝踵处-5.5 MPa迅速降至帷幕线处-2.5 MPa.此外,在本例中谱分析的结果与时程分析结果基本一致且包络时程分析.

图3 坝基面应力分布

4 基于Drucker-Prager模型的非线性分析

针对线弹性分析计算的高应力区,主要包括闸墩与堰面交界面和坝踵部位,采用两种配筋方式,以下分别称为低配筋和高配筋方式,进行非线性分析.分别配置3(6)根预应力锚索,括号内的数字表示高配筋方式中配置数量,每根锚索采用42ϕ15.2的预应力钢绞线.弹模为195 GPa,泊松比为0.3.每根锚索施加的预应力为7 200 kN,即每根锚索的计算张拉应力为1 020 MPa.锚索采用ANSYS的link1单元模拟,不考虑屈服.为了减小闸墩与堰面接触地方和坝踵的应力集中以及塑性区发展.在局部配置普通钢筋,弹模200 GPa,泊松比0.3.闸墩与堰面接触处顺河向的钢筋间距250 mm(150 mm),总计176根28,横河向在闸墩内部对称布置3(5)排,即钢筋间距为375 mm(300 mm).坝踵处顺河向钢筋间距200 mm(150 mm),总计25ϕ32(ϕ32),横河向在坝踵内部对称布置15排,即钢筋间距为500 mm(200 mm).

不同钢筋配置方案第一主应力,对比线弹性模型和弹塑性模型分析结果(表3),可发现弹塑性分析的应力和应变较线弹性模型有所降低,这是由于塑形应变释放能量所造成的.对比无配筋与有配筋的弹塑性模型发现,配筋改善了应力集中处的应力状态和塑形区的发展,如坝踵的第一主应力由2.21 MPa降至2.10 MPa再降至2.01 MPa(表4),应力降低并不是很多,这是由于应力极值通常出现在塑性区开始发展前,此时钢筋应变很小,检查混凝土的第一主应变可知,钢筋应变仅有10-5量级(模型不考虑钢筋与混凝土间相对滑移),乘以弹模算得的应力应在10 MPa以内,钢筋没有发挥较大作用.尽管应力降低的并不多,但对比第一主应力,最大值的区域缩小了很多.这是由于当塑形变形开始发展时,累计塑形应变达到了10-4量级,钢筋应力可达到几十个兆帕,因而钢筋可较好的抑制裂缝的开展.而事实上也正是如此,此时钢筋的最大应力达到了114.5 MPa.

对于预应力锚索,由于本模型按后张法施加,认为初始状态预应力钢束与坝体无摩擦力,预应力作用在锚垫板上按均布力模拟在相应的坝顶和基岩位置,这样造成力的传递路径较远,没能起到改善拉应力的作用.而如果将预应力钢筋的锚垫板布置在坝踵区附近,可有效减小坝踵的主拉应力.可见坝踵的主拉应力明显改善,坝踵的最大第一主应力仅为0.64 MPa.