地震作用下阿斗村渡槽的仿真分析

杨若男

(华北水利水电大学土木与交通学院, 河南 郑州 450045)

渡槽是南水北调工程中不可或缺的关键性结构[1]。渡槽结构易受地震作用影响发生开裂破坏现象，国内外的研究学者已对其进行了一定的研究。徐建国、陈淮、王博等[2]学者建立了渡槽薄壁结构空间地震响应计算模型。李遇春，来明[3]采用非线性曲线拟合方法将等效模型精确解答[4]进行了简化；杨潇然，周叮，王珏[5]建立了土-渡槽-流体的系统运动控制方程；张社荣，冯奕，王高辉[6]采用CDP 模型，对排架式渡槽进行了分析。阿斗村渡槽位于滇中区，是地震基本烈度为Ⅷ度的高地震区，对其进行抗震分析十分必要。

1 水体- 槽体相互作用

《水工建筑物抗震设计标准》(GB51247-2018)[7](以下简称为《抗震标准》)中，提出了一种水体-槽体相互作用的简化计算方法，见图1。

图1 规范矩形渡槽模型

在横向地震动分量作用下，槽内水体对渡槽作用如表1所示。

表1 横向地震作用下槽内水体地震响应

在竖向地震动分量作用下，槽内水体对渡槽作用如表2所示。

表2 竖向地震作用下槽内水体地震响应

需要注意的是，各时刻作用在相对槽壁上的动水压力指向同一方向。

依据上述公式编写用于ANSYS 渡槽模型动水压力施加的命令流。使用ABAQUS 进行计算时，需要编写外部程序并结合inp 文件，施加方法流程为：开始在ABAQUS 中建立渡槽模型，提取节点信息和有效面积，导出inp 文件，选择node下坐标数据建立node.txt，运行外部程序，得到新增节点文件、弹簧文件、附加质量文件，然后分别把三个文件添加在inp 中的相应位置，输入地震波进行计算，从以上步骤结果文件中提取渡槽底面中间节点水平和竖向加速度，再次运行程序，得到节点力文件(txt)，加入inp 中再次进行计算，然后结束程序。

2 渡槽的损伤破坏分析

阿斗村渡槽槽身为矩型结构，采用C50 预应力钢筋混凝土，渡槽单跨长为25m，共7 跨，设计流量为30m3/s，槽内设计水深为3.438m，渡槽下部采用C30 钢筋混凝土空心墩及双柱墩支撑，两端有C20 混凝土重力式墩台支撑。该渡槽设有5 座空心墩和1 座双柱墩。槽身与槽墩之间设置盆式橡胶支座，单跨槽身设计安装4 个。材料参数见表3。

表3 材料参数表

2.1 有限元模型

为了能够更全面的对阿斗村渡槽进行动力学分析，本研究建立了三维有限元模型，槽体、槽墩以及地基土体采用三维实体单元来模拟，支座采用壳单元-弹簧单元-壳单元的组合来模拟，采用高阶三维实体超弹单元模拟槽间止水，预应力施加采用降温法[8]。根据楼梦麟、潘旦光、范立础等[9]学者的研究，本文的计算，取土层深度最薄处为15m，土层的长度为275m，土层的宽度为160m。有限元模型见图2。

图2 渡槽结构特点及整体有限元模型

2.2 地震波的选取

阿斗村渡槽附近场地属于Ⅱ类场地，设计地震烈度为Ⅷ度。选用El-Centro 波和2 条以设计反应谱为目标谱的人工地震波，从渡槽承台底板输入三向地震荷载，地震动输入方式采用地震波垂直入射方式，见表4。

表4 人工地震波及其反应谱数据

本文中重点分析在人工地震波1 激励下的渡槽响应。

2.3 结果分析

采用《抗震标准》附录B 所推荐的“渡槽槽内水体动水压力计算”公式，在计算多跨多槽渡槽的地震响应时，计算本步动水压力时，需要用本步的加速度响应，对计算机要求非常高，本文的计算采用两台宝德自强PT6620P 工作站，并采用GPU 加速，得以顺利完成。结果如下：

表5～表8 给出了槽体、槽墩在空槽和设计水深两种情况下的在人工地震波1 激励下各响应的最值情况。由表可知，在地震动作用下，各槽身动力响应具有相似性，槽身大部分区域的应力最大值都在在-23.1MPa～1.89MPa 之间，即在C50 混凝土的抗压强度设计值和抗拉强度设计值之间。

表5 人工地震波1 激励下空槽时渡槽槽体响应最值表

表6 人工地震波1 激励下设计水深时渡槽槽体响应最值表

表7 人工地震波1 激励下空槽时渡槽槽墩响应最值表

表8 人工地震波1 激励下设计水深时渡槽槽墩响应最值表

根据表5～表8，选取第7 槽段、1#双柱墩、4#空心墩结构进行详细分析。因为在地震分析过程中没有考虑行波效应的影响，当上部结构和下部结构以及支座都相差很小的情况下，会出现响应值也相差很小的情况，这几号空心墩在结构上相似，所以地震响应基本一致。

图3 为人工地震波1 激励下第7 槽段的各向应力图。设计水位时，槽身应力值相较空槽时增加不多。在支座位置外存在应力较大区域，且由于水体质量的惯性作用，槽身底梁中部位置的拉应力较大，考虑预应力的影响，底梁跨中位置的拉应力值不会引起梁体的开裂。建议在槽身端部底梁与支座安装处增配腹筋，防止混凝土在地震作用下被剪坏。支座及拉杆处出现超过C50 混凝土的抗拉强度设计值的应力，是由于支座及拉杆处应力集中现象引起。

图3 人工地震波1 激励下第7 槽段的各向应力图(设计水位)

图4 为1#双柱墩的各向应力云图，阿斗村渡槽在地震动作用下，双柱墩的第一主应力最大值不仅出现在了墩身两侧下半区，而且在柱与横梁相交夹腋处第一主应力值同样很大( 2.01MPa～31MPa )。说明在地震作用下，双柱墩受地震力而发生左右摆动，两侧成为受拉区。同时，因为双柱和横梁H 型的结构，所以导致二者相交夹腋处也是受拉区，材料处于塑性状态，建议增配钢筋；第三主应力最大值发生时，支座位置压应力最大，符合实际情况；横向应力最大值发生时，墩身大部分区域的横向应力在C30 混凝土的抗压、抗拉强度设计值之间，此时在双柱墩台与支座结合处出现了超过设计值的应力，主要原因是由于横向地震动的作用而使得两侧支座处在一侧偏拉一侧偏压的情况；竖向应力最大值发生时，墩身大部分区域的竖向应力在C30 混凝土的抗压、抗拉强度设计值之间，最大竖向应力同样也出现在支座附近。

图4 人工地震波1 激励下1#双柱墩的各向应力图(设计水位)

图5 为4#空心墩的各向应力图，可以得出：第一主应力达到最大值时，墩台位置由于与支座连结，分布在四个支座下及周围位置的应力值超过了C30 混凝土的抗拉强度标准值，主要是由于应力集中现象引起的；第三主应力最大值发生时，在地震作用过程中，上部结构存在左右摆动的运动，在空心墩一侧比另一侧压应力大，这和单侧竖向受拉相一致；横向应力最大值时，墩台上部的应力值分布最大，位置与第一主应力最大值出现位置大致相同，但是比第一主应力值小，可以看出在整个墩台与四个支座连接处横向应力最大，且横向应力对第一主应力的贡献最大；最大竖向应力发生在墩底与基础相交的边缘处，空心墩横向两侧表现为一边受拉，一边受压，由于空心墩高度较大，拉压主要集中在墩的下半部分。

图5 人工地震波1 激励下4#空心墩的各向应力图(设计水位)

3 结论

对阿斗村渡槽进行有限元分析后，得到了强震作用下阿斗村渡槽的结构损伤模式。主要结论为:

3.1 采用《抗震标准》中的公式计算动水压力属于隐式迭代计算，对计算机的要求比较高，该法存在一定的局限性。在大型渡槽抗震计算中，基于声学的位移-压力有限元格式或简化计算方法是应用趋势所在。

3.2 在地震作用下，阿斗村渡槽下部槽墩结构损伤较大，槽身与支座相连附近区域也出现了局部损伤，以上两处是阿斗村渡槽的抗震薄弱部位，应对其采取相应措施。

3.3 采用《抗震标准》推荐的动水压力计算公式，反应不了水体的TLD 效应，计算结果偏保守。