某工程抽水泵站进水池塔墩体结构动力特性分析研究

叶柏阳，孙益松，周松松

(1.江苏淮源工程建设监理有限公司，江苏 淮安 223005；2.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005)

1 概述

动力抗震设计是确保水工建筑结构安全稳定性的重要内容，探讨水工结构在地震作用下动力响应特性对提升工程抗震设计水平具有重要作用[1-3]。国内已有诸多学者通过室内振动台试验，研究了水工结构模型在模拟地震荷载作用下破坏特性，探讨结构抗震设计方案，推动水利工程抗震设计水平[4-6]。由于振动台试验实际操作过程中程序复杂，试验成本较高，实验结果影响因素较多，因而较多水利工程师引入动力荷载仿真手段计算结构响应特征，其中反应谱是地震工程中研究地震荷载作用的重要手段，因此，一般以实测反应谱值作为地震荷载模拟施加在仿真体系中[7-9]，研究水工结构体系动力响应特征，为评价进水池塔墩等水工结构抗震设计水平提供重要参考。

2 工程概况

某抽水泵站位于华中地区，主要面向地区内农业灌溉用水以及农村生活用水，总农业面积超过150万m2，枯水季可提升农业灌溉效率25%，且生活用水量缺水率可降低13%，是地区水资源供给重要水工设施。渠道采用模袋式混凝土衬砌结构形式，渠首直接连通抽水泵站出水塔结构，渠首流量设计为0.58 m3/s，为方便农村生活用水调度，该抽水泵站联通蓄水池，流量为0.22 m3/s，泵站扬程为152.5～175.5 m。泵站进水池顶部高程为580 m，设计有流量调控闸门，布设有平面弧型钢闸门，体型较小，尺寸为3.5 m×6.5 m，闸门以液压式启闭机作为控制系统，可精确控制进水池内通闸流量，降低水资源输送耗损；上游引水河道河床宽度为8 m，上游引水运营水位为31 m。进水池设计以排墩作为支撑结构，排墩为框架梁连系梁形式，横梁为5.2 m×16 m，纵梁为13.5 m×6.5 m，每根排墩均设计有承重台，增强受力面积，减少排墩结构受力，闸墩厚度约为80 cm，顶部高程为574.6 m，拦污栅亦是设置为多扇形状，总尺寸为5.6 m×18 m，每个排栅均有2个进水孔，直径为2.8 m，底槛高程为561.2 m，整个体系结构均采用C25钢筋混凝土材料。图1为进水池主要结构三维示意。

图1 进水池主要结构三维示意

3 进水池塔墩动力特性分析

3.1 模型建立与荷载参数

仿真模型包括有进水池深度15 m以下地基，模型以六面体为基本单元体，借助有限元仿真软件共划分出单元总数198 738个，节点数96 538个，所建立泵站进水池塔墩整体仿真模型如图2(a)所示，另单独给出进水池塔墩结构有限元模型如图2(b)所示。另有限元仿真计算过程中空间坐标体系X、Y、Z正方向分别为水流右侧垂线方向、顺水流向、向上竖向。

图2 有限元仿真模型示意

边界约束荷载考虑进水池结构自重，外荷载为地震动作用，将地震动作用分两方面考虑，一方面为惯性力荷载，本文以工程现场实测反应谱值在仿真体系中施加，具体实测反应谱值加速度如图3所示；另一方面为动水压力，以空间坐标体系中3个方向分别施加，动水压力计算公式如式(1)[10-11]：

图3 加速度反应谱实测值示意

(1)

式中H为深度；Zi、Ai分别为坝基距离与截面积。

3.2 进水池塔墩动力特性计算

3.2.1自振特性

基于模态分析手段首先利用有限元软件计算获得进水池塔墩自振特性，图4为结构体系自振频率与计算阶次关系。从图中可看出，计算阶次与自振频率为正相关变化，第1阶次下自振频率为3 Hz，而第5阶次下相比前者增长了161.7%，第10阶次自振频率又比第5阶次增长了28.9%，即自振频率随计算阶次增长幅度逐渐放缓。

图4 自振频率与计算阶次关系曲线示意

图5为基于模态分析计算获得典型阶次自振振型云图，从图中可知，在低阶次下进水池塔墩体系中振动以X向为主，Y、Z向振动参与系数相比X向低了两个量级，此现象在第1、3阶次均是如此。在中等计算阶次下，各方向振动均由正方向变换之负向，各方向振动参与系数相差并不大，稍稍以Y方向为主导作用，即振型变化由X向主导变化至Y方向主导、三方向联动振型特征。在高计算阶次下，振动方向以X、Y向为主导，此时进水池塔墩体系为X、Y向组合振动状态，两者参与系数均达0.65左右。分析表明，进水池自振振型变化为“X向主导-Y向主导、三向联动-X、Y向组合振动”。

(a)1阶

3.2.2动力响应特性

图6、图7为进水池塔墩体系结构动力响应下应力、位移特征。从图6各特征部位应力表现来看，X向拉应力最大值出现在塔墩连系梁横梁结构，达14.5 MPa，闸墩以及底板等结构部位处拉应力分布较小，仅为前者的0.7%左右；结构体系中X向压应力分布较为均匀，个特征结构部位压应力均为0.6～1.8 MPa，均处于混凝土材料允许压应力区间内。Y向拉应力最大值位于纵梁，达7.9 MPa，另在栅墩结构亦分布较大拉应力，达5.5 MPa，分析表明受拉较严重区域即为塔墩连系梁的横、纵梁结构。Z方向最大拉、压应力分别为7.3 MPa、2.8 MPa，最大拉应力位于栅墩部位；最大压应力乃是3个方向中压应力最大值，但相比混凝土材料允许抗压强度，压应力处于安全状态。整体体系中第一主应力最大拉应力为14.7 MPa，位于横梁结构。综上应力特征分析表明，进水池塔墩体系中受拉较严重区域为横、纵梁、栅墩，动力抗震设计应特别关注此3个特征结构部位，增强刚度与强度。

图6 结构体系特征结构部位应力特征

(a)应力

从位移分布特征来看，X、Y、Z正向位移最大值分别为17.1 mm、1 mm、0 mm，正向位移中以X向为主导，3个方向负向最大位移分别为0.8 mm、14 mm、4 mm；三个方向正向最大位移均位于栅墩结构部位处，而负向位移中Y向塔顶板，Z向最大沉降变形位于多排式栅墩与顶板连接处；综上来看，栅墩动力响应下位移较大，极易引起结构应力集中破坏。

4 增设切角对塔墩体系动力影响特性

前述分析已知进水池塔墩体系中受拉与位移较大区域集中在栅墩以及连系梁，故而本文考虑增设切角降低结构体系拉应力，增大结构刚度。为此，研究不同增设切角设计方案下结构体系动力特征，限于篇幅，本文以固定坡度，改变切角高度的研究方案，探讨结构体系最佳抗震性能方案。设定切角固定坡度均为1/3，并改变增设切角高度分别为0.2 m、0.3 m、0.4 m、0.5 m、0.6 m，另所有方案增设切角均布设在纵梁结构上，典型代表设计方案增设切角几何示意图如图8所示。

图8 增设切角几何示意

4.1 应力特征变化

图9为各切角高度影响下特征结构部位拉应力变化，从图中可知，随切角高度增大，纵梁、栅墩拉应力均有一定程度降低，无切角时纵梁拉应力为7.8 MPa，而切角高度为0.4 m时拉应力相比前者降低了3.8%。栅墩拉应力在切角高度为0.3 m前并无显著变化，在高度0.3 m后拉应力有所降低，其中切角高度0.6 m时相比0.3 m时栅墩拉应力降低了3.9%，达8.65 MPa。胸墙第一主应力持续降低，无切角时拉应力为2.4 MPa，而增设切角高度为0.5 m、0.6 m时分别相比前者降低了12.5%、16.7%，最低拉应力为2 MPa。从拉应力受增设切角高度影响来看，增设切角可降低结构受拉应力，另切角高度增大，抑制结构受拉趋势愈显著。

图9 结构体系中特征部位拉应力变化示意

图10为不同切角高度下结构体系各特征部位压应力特征，横、纵梁压应力变化较小，其中纵梁压应力值均在7.3～7.4 MPa，而横梁在各切角高度下稳定不变，均为12.1 MPa，栅墩第三主应力、整体结构体系第三主应力均随切角高度增大而逐渐减小，切角高度0.6 m时栅墩第三主应力为11.9 MPa，相比切角高度0.2 m时降低了1.7%；相同对比方案中整体结构体系第三主应力降低幅度为0.8%。从进水塔墩整体压应力受增设切角高度影响来看，压应力量值均处于混凝土材料允许应力值区间内，处于安全状态。

图10 结构体系中特征部位压应力变化示意

4.2 位移特征变化

图11为栅墩各方向位移受增设切角高度影响变化特征，从图中可知，栅墩X、Y向位移变化趋势较小，最大变化幅度仅为3.2%，表明增设切角高度改变并不影响栅墩X、Y向位移特征。另一方面，随切角高度增大，栅墩Z向位移逐渐降低，切角高度0.6 m时位移值最小，仅为3.8 mm，相比无切角时降低了7.3%。分析表明改变增设切角高度，可降低动力响应引起栅墩Z向位移值。

图11 栅墩各方向位移与切角高度关系示意

4.3 最佳抗震方案分析

综上应力、位移分析可知，当切角高度为0.6 m时结构体系抗震性能较好，本文给出该设计方案下进水池塔墩体系特征部位应力分布示意(如图12所示)。

(a)横梁

从图中可知，横梁、纵梁、栅墩最大拉应力分别为8.2 MPa、9.3 MPa、2.1 MPa，相比原无切角结构体系中，最大拉应力均分别降低了43.4%、5.6%、61.8%，表明增设切角方案有助于抑制结构体系中拉应力产生，增强结构强度。从栅墩各方向位移来看(见图13)，仍然以X向位移为最大，达13.6 mm，相比无切角设计方案下降低了20.5%；Y向最大位移为13.9 mm，仍然为负向，亦有小幅降低；Z向沉降变形为3.79mm，相比原设计方案降低了7.6%。综上分析表明，从动力抗震角度出发，增设切角可降低应力集中，减弱动力作用下位移响应，且增设切角高度0.6 m时抗震性能最佳，可采用为进水池塔墩结构体系抗震特性的刚度、强度增强设计方案。

(a)X向

5 结语

针对某抽水泵站进水池塔墩体系结构动力响应特性开展计算分析，利用反应谱实测值施加地震动荷载，研究分析了结构动力特性与增设切角方案对结构体系动力响应影响特征，主要有以下几点结论：

1)结构体系动力响应下应力、位移特征，受拉严重部位为塔墩的横、纵梁、栅墩，X向拉应力最大达14.5 MPa，位于横梁结构，Z向最大拉应力位于栅墩，达7.3 MPa；压应力分布均满足混凝土材料允许应力要求；正向最大位移均位于栅墩结构处，X向最大位移17.1 mm；部分结构部位动力响应下极易引起应力集中破坏。

2)增设切角对结构应力响应影响特征，纵梁、栅墩拉应力、胸墙第一主应力均与切角高度为负相关关系，切角高度增大，抑制结构受拉趋势愈显著；压应力受切角高度变化影响较小，纵梁压应力均在7.3～7.4 MPa，各特征部位压应力均处于材料允许强度区间内。

3)增设切角对结构位移影响，栅墩X、Y向位移不受切角高度变化影响，Z向位移在切角高度0.6 m时最小，相比无切角时降低了7.3%；增设切角高度0.6 m时横梁、纵梁、栅墩拉应力最大值分别降低了43.4%、5.6%、61.8%，位移响应值亦降低一定幅度，该设计方案结构体系抗震性能较佳。