某水电站堰闸段闸墩非线性地震反应分析

杨梅

(新疆建源工程有限公司，乌鲁木齐，830000)

闸墩是低水头的挡水兼泄水建筑物，地震作用容易造成闸墩开裂甚至倒塌，闸墩布置结构表明，闸墩体型、截面、工况、荷载、边界条件都比较复杂[1]，传统弹性力学、结构力学和材料力学等方法无法解决以上各种因素对重力坝闸墩结构安全的影响，因此，在地震作用下的结构有限元分析尤为重要[2]。闸墩分缝通常在分析中由于复杂会被忽略，通常是将闸墩认为是一个整体考虑，计算时将分缝设在堰顶，但这和实际情况会存在误差[3]。它忽略了闸墩与闸墩在地震反应下的互相作用，也就是在地震作用下，当一侧闸墩发生振动时，另一侧的闸墩会对它有阻碍或者帮助作用[4]。本文以某水电站实际工程为例，对此展开分析研究。

1 工程简介

某水电站工程枢纽主要由面板堆石坝、右岸溢洪道、泄洪洞和右岸地下电站厂房组成，以发电为主。水库总库容15.02亿m3，最大坝高211m，装机容量2200MW(4台520MW+1台120MW)，根据GB 50201-2014《防洪标准》以及DL 5180-2003《水电枢纽工程等级划分及设计安全标准》的规定，工程规模为I等大(1)型工程。挡水、泄水及引水发电等主要建筑物工程级别为1级，下游消能防护及永久性次要建筑物为3级。

2 计算模型

2.1 分析区域

考虑溢洪道堰闸段与地基的动力相互作用对上部结构的地震反应分析有一定影响，在地震反应分析中，以无质量地基底部均匀输入的方式考虑地基与上部结构的动力相互作用和地震动的输入。因此，在建立有限元模型时，溢洪道堰闸段计算基础深度取1倍闸墩高度(45m)，上、下游基础长度分别取堰闸段顺水流长度的1倍(各取50m)，左右两侧基础长度分别取单孔堰闸段宽度的1倍(16m)，闸墩接触距离为0，以反映地基刚度对溢洪道堰闸段动力特性的显著影响。

表1 材料重度

表2 混凝土设计强度

表3 混凝土弹性模量

溢洪道堰闸段堰面2m厚混凝土及闸墩混凝土强度等级取C30，堰面2m以下混凝土强度等级取C20。

2.2 网格划分

模型采用ANSYS有限元结构分析软件对该水电站溢洪道堰闸段进行静、动力分析。溢洪道堰闸段中墩有限元网格划分如图1所示，采用三维空间实体模型SOLID45和SOLID73对模型进行网格划分，单元数为10721，节点数为10678。有限元分析模型中坐标系采用直角坐标系，选取的坐标方向如图1所示：X正方向为顺水流方向；Y正方向竖直指向闸墩顶部方向；Z正方形为垂直水流方向。闸墩、坝基及围岩模型如图1和2所示。

图1 整体模型单元

图2 闸墩模型单元

闸墩分缝模型分别考虑了相邻闸墩无宽度、宽度为0.05m、分缝中添加橡胶填充物以及相邻闸墩不计相互影响等几种工况。

2.3 时程分析计算方案

本文采用人工合成地震波，设计地震波三条，分别为X方向、Y方向和Z方向；校核地震波三条，分别为X方向(顺水流方向)、Z方向(横河向)和Y方向(竖直方向)。时程分析包括以下几种方案。

表4 计算方案

采用固定边界，从X方向(顺河向)、Y方向(垂直水流河向)和Z方向(竖直方向)分别输入100年超越概率2%的人工合成地震波进行计算。

2.4 接触的设定

在计算过程中接触面可能出现张开、闭合(可能会有嵌入)和滑移三种状态。嵌入值一般很小，在分析结果时将其忽略。第一个分析步：对整个系统施加自重与荷载，计算并提取整个系统产生的位移，将此位移作为下一步的初始条件，并且在0至20s维持整个模型荷载不变，以防止瞬时加载产生的激荡作用。第二个分析步：加载地震波。

3 闸墩时程分析

3.1 闸墩有分缝，考虑闸墩相互作用的时程分析

对分缝无宽度并考虑闸墩相互作用情况下进行时程分析，并和闸墩为一个整体时无分缝无接触情况下进行对比。对结构进行时程分析计算，需要对闸墩关键部位进行分析说明，为了便于对比，闸墩位移取图3所示关键点来分析位移随时间变化的规律。计算结果见表5、表6。

图3 闸墩关键点示意

表5 闸墩为整体时关键点位移极值及出现时间

表6 分缝无宽度非线性接触关键点位移极值及出现时间

在竖直Y方向，由于自重产生的影响，各点都有所沉降。在地震荷载作用下，地基对闸墩有明显的约束作用，向上的位移并不大，最大位移为2.801cm，并且各点的时程变化规律基本一致；垂直水流Z方向，每个点的正向和负向位移基本对称，说明在地震的往返作用下，关键点在非线性接触下往返位移明显要大于无接触情况，这是因为闸墩互相摩擦作用对闸墩的约束明显要小于无接触下的约束作用。

综上分析得知：闸墩在地震作用下位移随着高程的增加而增加，在相同高程上的位移上游处的位移略大于下游处。在考虑接触作用下，两个闸墩有明显的张开，但没有内嵌，而且两个闸墩的震动幅度基本一致，说明考虑接触非线性以后，并不存在互相碰撞等作用，这些都是以往的线弹性模型所无法得到的结论，并且这样的结论也更加符合实际情况。

3.2 计算结果总结

以闸墩有分缝，相邻两闸墩没有相互作用为分析对象，列出不同方案下，位移及应力的变化率表，见表7、表8。

表7 垂直水流Y方向最大位移具体变化率

表8 垂直水流Z方向最大位移具体变化率

由表7和表8可得，四个关键节点在Y、Z三个方向的位移和应力变化趋势都比较一致。分缝设在堰顶视闸墩为一个整体情况下，竖直Y方向和垂直水流Z方向最大位移较闸墩有分缝并不考虑相互作用变化率幅度最大分别为-71.75%、-71.97%，变化率幅度最小分别为-43.96%、-60.25%；当闸墩有分缝并不考虑相邻闸墩在地震荷载作用下的相互作用时，竖直Y方向最大位移和垂直水流Z方向的最大位移较闸墩有分缝并不考虑相互作用时变化率幅度最大分别为-29.48%、-34.49%，变化率幅度最小分别为-19.83%、-25.24%；当闸墩分缝宽0.05m，并考虑相邻闸墩在地震荷载作用下的相互作用时，竖直Y方向和垂直水流Z方向最大位移较闸墩有分缝并不考虑相互作用时变化率幅度最大分别为-16.93%、-27.60%，变化率幅度最小分别为-5.44%、-14.19%；如果在分缝中添加橡胶填充物时，竖直Y方向和垂直水流Z方向最大位移较闸墩有分缝并不考虑相互作用时变化率幅度最大分别为-40.11%、-38.12%，变化率幅度最小分别为-19.68%、-30.51%。

四个节点受到的最大应力值都在安全范围之内。闸墩为整体时分缝设在堰顶、闸墩有分缝无宽度并考虑相互作用、分缝有宽度并考虑相互作用、分缝填充橡胶这四种情况最大拉应力较闸墩有分缝并不考虑相互作用时在Y方向最大变化幅度分别为-46.93%、-33.63%、-23.73%、-39.91%，在Z方向最大拉应力变化幅度分别为-65.85%、-38.65%、-19.83%、-48.36%，Y方向最大压应力变化幅度分别为-50.00%、-34.82%、-14.8%、-39.26%，Z方向最大压应力变化幅度分别为-56.99%、-39.64%、-12.53%、-49.47%。

4 结论

本文分别对在地震荷载下闸墩有分缝并考虑相邻两闸墩相互作用、闸墩有分缝并不考虑相邻两闸墩相互作用、闸墩分缝宽为0.05m并考虑相邻两闸墩相互作用、闸墩分缝宽0.05m并在缝中加入橡胶填充物进行了动力时程分析，并和以往闸墩有分缝并不考虑相互作用时的地震反应做了对比研究。结果表明，不论是哪种情况下，闸墩的应力和位移都较闸墩有分缝并不考虑相互作用有所减小。当闸墩为一个整体即分缝设在堰顶时应力和位移减小的最大；当在分缝设在闸墩上，分缝中添加橡胶填充物时位移和应力减小最为显著，这说明了当分缝设在闸墩上时，在缝中添加橡胶等抗震填充物对闸墩的抗震性能有明显的增强，这种措施值得考虑。同时也表明了，以往只考虑堰顶分缝不考虑闸墩分缝的分析方法还欠妥。