某大型泵站枢纽结构抗震动力分析

汪 明，张 卫 云，段 卫 通

(1.中国水利水电第七工程局有限公司 第一分局，四川 彭山 620860；2.南京市水利规划设计院股份有限公司，江苏 南京 210022)

1 概 述

目前所建设的大型泵站多采用下部封闭圈层、上部排架厂房、前部蓄水池、后部排水设施的方式进行布置，形成集灌溉、防洪、引水、排涝于一体的综合水利枢纽，但在其调度运行过程中，一旦出现调度险情，这些结构将面临静、动力双重损伤、损坏以及遭受破坏的风险，为水工建筑物的安全服役埋下了重大隐患[1]。为此，急需开展八度烈度地震区大型泵站枢纽结构的动力服役性能分析以获取结构动力方面的关键参数指标，达到精确、高效评估该类枢纽结构安全性能的目的。某大型泵站枢纽工程等别为Ⅱ等大(2)型，主要建筑物级别为2级，所在地区地震基本烈度为八度。泵房封闭圈底平面尺寸为74.1 m×18.5 m，立墙高12.3 m，上部厂房跨度为18.5 m，长76.1 m，立墙高11.65 m，桁车设计荷载标准值为32 t。该工程设有C20混凝土垫层，其余建筑物均采用C40钢筋混凝土，桁车梁采用Q235钢板材。

根据《水工建筑物抗震设计标准》(GB51247-2018)[2]与《泵站设计规范》(GB50265-2010)[3]的要求，工程中常采用拟静力法和动力法进行抗震动力分析[4]。笔者通过建立考虑地基-基础-填土-结构-荷载相互作用的泵站枢纽整体有限元模型开展了八度地震区抗震动力研究。

2 模型的建立

计算模型的边界条件为：(1)基础部分向进水方向延长19 m，向出水方向延长30.4 m，模型左侧向外取23.6 m，模型右侧向外取26.1 m，左侧、右侧、出水侧地面部分宽度各取5 m，垂直向各呈1∶1.5的坡度；(2)后填土部分向进水方向延长14 m，向出水方向延长25.4 m，模型左侧向外取18.6 m，模型右侧向外取21.1 m，左侧、右侧、进水、出水侧地面部分宽度分别取18.6 m、21.1 m、14 m、25.4 m，垂直向各呈1∶1.5的坡度，与基础相匹配。(3)进水前池部分向进水方向延长7.5 m，分别由5条竖向隔板和左边墩、右边墩组成；(4)泵房封闭圈结构分为三段，自左向右分别编号为Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段。

采用有限元分析平台对泵站整体结构进行离散化，其三维模型见图1(a)，三维网格模型见图1(b)。其中，混凝土相关结构采用SOLID65单元，桁车梁采用SHELL63单元，地基与填土均采用SOLID185单元[5]，材料参数见表1。

(a)三维模型图

(b)三维网格模型图图1 泵站整体结构分析模型图

3 模态分析

泵房封闭圈及上部厂房结构自振特性采用子空间迭代法，动力分析采用振型分解反应谱法，提取前20阶振型，各振型之间采用CQC方法组合，即取各阶振型地震作用效应平方总和的方根作为总地震作用效应，并计算其自振频率以及所对应的各阶振型，获得前6阶振型云图(图2)，前20阶自振频率见表2。

表1 材料参数取值表

(a)第1阶振型图

(b)第2阶振型图

(c)第3阶振型图

(d)第4阶振型图

(e)第5阶振型图

(f)第6阶振型图图2 前六阶振型位移云图

表2 泵站整体结构自振频率一览表

4 结构动力分析

依据《中国地震动参数区划图》(GB18306-2015)[6]和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2016)[7]等要求，对于该泵站结构进行地震作用分析时宜采用标准设计反应谱模型，标准设计反应谱曲线见图3，并按振型分解反应谱法计算，查询得到八度烈度地震区响应谱动力分析参数见表3。

图3 标准设计反应谱曲线图

表3 响应谱分析参数一览表

进一步借助Visual Basic编程软件，开发出计算与“加速度人工反应谱”相关的频率和加速度参数的输出界面。

根据所得相关动力参数，取前20阶各个频率点带入“人工反应谱参数计算程序”计算加速度-频率响应谱，计算所得频率及其对应的加速度见表4。

表4 加速度-频率响应谱输入参数表

4.1 完建蓄水工况动力分析

依据《水工混凝土结构设计规范》(SL191-2008)等规范及Mises屈服准则，对该泵站整体结构进行了完建蓄水工况地震动作用分析，得到该有限元分析模型的代表性基础部分Mises等效应力云图(图4)及泵房封闭圈结构综合位移云图(图5)。

图4 基础部分Mises等效应力云图

图5 泵房封闭圈结构综合位移云图

通过完建蓄水工况计算，得到该工况下泵站结构的抗震分析结果：(1)基础与填土最大等效应力为1.5 MPa，应力水平小于砂质泥岩勘察承载应力强度，泵房封闭圈结构下部基础等效应力在0.19～0.25 MPa之间，经复核满足地基设计承载要求；(2)泵房封闭圈结构综合位移在21.5～27.93 mm之间，泵房封闭圈结构等效应力在0.001～2.73 MPa之间，满足设计强度要求；(3)主厂房排架柱结构综合位移在1.31～7.55 mm之间，主厂房排架柱结构等效应力在0.017～1.69 MPa之间，满足设计强度要求。

4.2 运行叠加工况动力分析

对该泵站整体结构进行运行叠加工况地震动作用分析，得到该有限元分析模型的代表性基础部分Mises等效应力云图(图6)及泵房封闭圈结构综合位移云图(图7)。

图6 基础部分Mises等效应力云图

通过运行叠加工况计算，得到该工况下泵站结构的抗震分析结果：(1)基础与填土最大等效应力为1.49 MPa，应力水平小于砂质泥岩勘察承载应力强度，泵房封闭圈结构下部基础等效应力在0.2～0.32 MPa之间，经复核满足地基设计承载要求；(2)泵房封闭圈结构综合位移在21.51～28.76 mm之间，泵房封闭圈结构等效应力在0.013～2.74 MPa之间，满足设计强度要求；(3)主厂房排架柱结构综合位移在1.31～7.55 mm之间，主厂房排架柱结构等效应力在0.019～1.69 MPa之间，满足设计强度要求。

图7 泵房封闭圈结构综合位移云图

4.3 对比分析

通过对完建蓄水工况与运行叠加工况两种情况进行对比分析，形成以下结论：

(1)运行叠加工况与完建蓄水工况得出的基础部分位移与应力分布规律一致，泵房封闭圈结构下部基础等效应力在0.19～0.32 MPa之间，表明主厂房桁车满载运营对基础扰动影响甚微，地震动作用因素起主导作用，两种工况下基础均满足设计承载强度要求。

(2)运行叠加工况与完建蓄水工况得出的泵房封闭圈结构位移与应力分布规律一致，两种工况下泵房封闭圈结构综合位移均在21.51～28.76 mm之间，主厂房桁车满载运营相较于地震动作用而言，地震动作用因素起主导作用。

(3)运行叠加工况与完建蓄水工况得出的主厂房排架柱结构位移与应力分布规律一致，两种工况下主厂房排架柱结构综合位移均在1.31～7.55 mm之间，满足规范规定的侧向位移要求；主厂房排架柱结构等效应力在0.017～1.69 MPa之间，应力水平均小于规范规定的应力强度，进一步表明排架柱结构运行服役安全受地震动作用影响主导。

5 结 语

鉴于水工结构工程地震响应与地震波波频、传播方向等有关，不能完全模拟地震波作用过程，因此，笔者根据《水工建筑物抗震设计标准》与《泵站设计规范》等标准与规范，建立了考虑地基-基础-填土-结构-荷载相互作用的泵站枢纽整体结构动力数值分析模型，完成了考虑结构自重、土压力、静水压力、地震动水压力等作用力组合状态下的三维结构抗震动力性能并得出以下结论：

(1)通过模态分析求得该种泵站枢纽整体结构的前20阶自振频率分布在1.602～3.845 Hz之间。

(2)基于所开发的“加速度人工反应谱”频率和加速度参数输出界面进行的泵站枢纽整体结构抗震动力分析结果显示该类型结构在完建蓄水与运行叠加工况下，其进水前池、泵房封闭圈、泵站基础和填土以及上部主厂房等结构均满足八度地震区抗震设计需要，进一步为该泵站技施复核及后期维护提供了技术支撑。