考虑结构与加锚岩体联合受力的船闸闸首抗震性能研究

2024-01-15熊梦琪李亚军陈小虎张汉云

水利水电科技进展 2024年1期

熊梦琪,李亚军,陈小虎,张汉云,蒋才

(1.河海大学水利水电学院,江苏南京 210098; 2.三峡水力发电厂,湖北宜昌 443133; 3.长江勘测规划设计研究有限责任公司,湖北武汉 430019)

现阶段,对于水工建筑物抗震性能的研究主要集中在大坝等挡水建筑物上,针对通航建筑物抗震性能的研究不多[1-3]。通航建筑物是水利枢纽的重要组成部分,船闸作为过坝通航建筑物的主要形式之一,对其抗震性能的研究应该受到高度重视。船闸闸首既是枢纽挡水建筑物,又是通航闸首,也是船闸应力、变形和稳定控制的关键部位,闸首的抗震性能对整个水利枢纽的正常运行和抗震安全至关重要。

近年来,国内外学者围绕船闸抗震性能开展了研究。例如：Kontoe等[4]采用子结构技术建立船闸结构-场地二维平面应变有限元模型,对船闸体系的地震响应进行了探讨分析;陕亮等[5]以三峡永久船闸混合式闸室墙为研究对象,采用三维有限元法对接触问题进行了非线性仿真计算,探讨了衬砌墙和重力墙之间是否设置水平分缝的问题,并分析了设置过缝钢筋的利弊;苏超等[6]建立了闸首-地基三维有限元模型,考虑地基材料的非线性特点,地基模型采用邓肯-张E-B模型,使用ABAQUS软件分析了运行工况下闸首的应力分布规律及变形特点;崔春义等[7]研究了船闸闸室体系动力受力变形特性,分析了地震作用下船闸闸室结构-地基相互作用体系的动力响应特性,结果表明,船闸结构满足抗震规范要求;丁天平等[8]针对新夏港船闸,采用黏弹性边界和动力接触模型,研究了地震作用下错位布置闸首接触非线性对闸首结构应力及变形的影响,为工程的安全运行提供了依据。这些研究成果为船闸工程的抗震设计提供了有益参考,但较少考虑地震作用下结构-锚杆-基岩间的动力相互作用。由于闸首是紧贴岩体修建的混凝土结构,二者为不同材料间的接触,其间存在一个接触面,地震作用下接触面的接触状态会影响闸首结构和锚杆的受力和变形[9]。

本文以某双线五级船闸的第一级闸首为研究对象,在ADINA有限元软件中建立库水-结构-锚杆-基岩动力相互作用的三维整体有限元模型,基于约束函数的非线性接触单元模拟闸首结构中的各类接触问题,采用动力时程分析方法分析地震作用下闸首结构的动力响应、锚杆受力的分布规律以及不同接触面的接触状态,以期综合评价该船闸闸首的抗震安全性。

1 理论和方法

1.1 接触非线性分析理论

地震荷载作用下,不同材料间的开合及滑移现象是一种复杂的非线性行为,为接触非线性问题。本文采用接触约束函数算法,引入约束函数来描述接触面之间的法向和切向的接触约束条件[10]。

法向约束函数w(g,λ)为

(1)

式中：g为接触面间的法向间距;λ为接触面间的法向接触力;εN为一个极小的常数。若g=0且λ>0,接触面闭合;若g>0且λ=0,接触面张开。εN的作用是使法向接触条件的数学表示更加平滑,有利于计算收敛。

(2)

1.2 锚杆的模拟方法

采用Truss单元模拟锚杆。在计算中自动将锚杆的轴线与3D-solid单元相关联,如图1所示。对于每一根模拟锚杆的线,程序都会搜索到它与3D-solid单元边界的交叉点,在此交叉点处生成Truss单元的节点。然后通过在Truss单元节点与3D-solid单元节点之间建立约束方程的形式模拟锚杆对基岩和结构的加强作用。

图1 锚杆的模拟

2 有限元模型与计算工况

2.1 有限元模型

某船闸为双线五级船闸,闸首为1级建筑物,闸首和闸室均建在山体深切开挖形成的岩石深槽中,两线船闸平行布置[11]。闸首为重力式结构,高59m,顺流向长70m,垂直流向单线宽74m。有限元建模时,基岩模拟范围为竖直向向下取1.5倍闸首高度,即89m;上下游自闸首各延伸3倍闸首高度[12],即177m;左右岸自闸室外侧分别向两侧延伸3倍单线闸室宽度,即102m,整体有限元模型范围为424m×372m×155m。闸首、挡水坝、基岩、回填土与回填混凝土均采用3D-solid单元模拟,库水采用3D-fluid单元模拟,锚杆采用Truss单元模拟。图2为结构、锚杆的剖面布置图,基岩与闸首边墩间共布置了3332根锚杆,直径均为40mm,其抗拉强度值为1000MPa。

图2 结构、锚杆剖面布置图(高程单位：m;锚杆直径单位：mm;其他尺寸单位：cm)

模型底部施加固定约束,四周采用法向链杆约束。库水与结构的交界面设为流固耦合界面,库水表面设为自由液面边界,库水其他临空面设为无限远边界,挡水闸门处设置壁面边界。船闸闸首的结构布置如图3所示,整体三维有限元网格模型如图4所示。图中x方向为顺水流方向指向上游,y方向为垂直流向,指向右岸,z方向为竖直向上。整体有限元模型节点总数为89814,单元总数为77909。

图3 船闸闸首结构布置

图4 有限元模型(单位：m)

船闸各部位材料参数见表1,库水密度为1000kg/m3,不考虑库水的可压缩性。根据GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》,在动力时程分析中结构阻尼比取0.07。

表1 材料参数取值

闸首边墩与基岩、回填混凝土、回填土的交界面,边墩与底板间的结构缝,边墩与挡水坝间的结构缝均采用接触单元模拟,其中边墩与底板间的结构缝考虑了10mm缝宽,不同接触单元组见图5。

图5 不同接触单元组示意图

2.2 计算工况与荷载

根据JTJ 307—2001《船闸水工建筑物设计规范》和船闸的实际运行情况,选取正常运行工况遇地震的情况进行静动综合分析。该工况下两闸线均采用人字门挡水,上游水深44m,下游水深21.4m,计算时考虑了结构自重、人字门自重、墙后渗透压力、土压力、水压力、扬压力、人字门顶枢推拉杆拉力及地震荷载。

该工程抗震设防类别为甲类,水平向设计地震动峰值加速度按100年2%超越概率取值为110cm/s2,竖向地震动峰值加速度为水平向的2/3,各向加速度时程曲线如图6所示。动力时程分析中,采用无质量地基,同时输入3个方向的加速度时程,地震持时12s,计算时间步长0.02s。计算时考虑静动综合作用,即在静力分析的基础上,采用重启动进行非线性动力时程分析。

图6 各向地震加速度时程曲线

3 结果与分析

3.1 结构动力响应

南、北线船闸的各方向静动综合位移最大值分布规律基本相同,垂直流向位移大于顺流向位移。其中北边墩和中北边墩、南边墩和中南边墩的垂直流向静动综合位移绝对值的最大值呈对称分布,如图7所示,各边墩均向航槽侧变形,位移沿高度方向递增,位移绝对值的最大值的极值出现在中北边墩上游航槽侧顶部,为-3.2mm。

图7 垂直流向位移绝对值的最大值包络云图(单位：mm)

表2列出了运行工况下,各边墩人字门作用线处沿高程各点与人字门底枢在垂直流向的相对位移极值,表中的正值表示结构在该位置沿y轴正方向产生变形,负值表示结构在该位置沿y轴负方向产生变形。在高程157、165、175m处,中北边墩和中南边墩作用线上的相对位移大于南边墩作用线上的相对位移,北边墩作用线上各点的相对位移最小。高程157m以上,各边墩人字门作用线上的相对位移沿高程增加,185m高程处相对位移极值最大,值为1.617mm,小于允许的相对位移值5mm,不会对人字门的运行带来不利影响。

表2 各边墩人字门作用线处结构垂直流向相对位移极值

地震作用下,结构的竖直向正应力以压应力为主,局部出现拉应力,但拉应力水平远小于压应力水平。竖直向拉应力最大值的极值出现在北边墩上游外侧,为0.180MPa,压应力最大值的极值出现在中南边墩结构缝上游侧顶部,为3.383MPa。第一主应力最大值的极值出现在中北边墩结构缝上游侧顶部,为0.566MPa,第三主应力最小值的极值出现在南边墩上游面外侧拐点,为-3.969MPa。闸首基底出现的竖直向拉应力区最大范围如图8中红色区域所示,双线基底拉应力区最大范围所占比例均为0.275%,远小于建基面宽度的0.07倍,且远离防渗帷幕中心线,满足应力控制标准。

图8 双线基底拉应力区最大范围(单位：m)

3.2 锚杆应力

地震作用下锚杆轴向应力绝对值的最大值包络云图如图9所示。由图9可知,锚杆轴向应力多为拉应力,最大值仅发生在局部,位于结构与基岩的接触面上,绝大多数锚杆的轴向拉应力值小于30MPa。锚杆轴向拉应力随着高程的增加而增大,由于北边墩的基岩高程较高,锚杆分布高程也较高,北边墩上部1/3高程处锚杆的拉应力值为34MPa左右,最大值发生在偏上游侧171.95m高程处,为204.4MPa。锚杆强度安全系数为4.89,大于控制值1.65,满足控制要求。

图9 锚杆轴向应力绝对值的最大值包络云图(单位：MPa)

3.3 接触面开合状态

3.3.1边墩与基岩的接触状态

地震作用下,闸线两侧边墩向船槽内侧变形,闸首边墩与基岩的接触面会出现往复开合的现象。闸首边墩与基岩接触面最大张开度包络云图如图10所示。由图10可知,地震作用下最大张开度发生在中北边墩与基岩接触面的航槽外侧顶部,值为0.8mm,除了中北、中南两个边墩下游面以及南边墩顶部有明显张开外,地震时接触面其他部分均处于紧贴状态。

图10 边墩与基岩接触面最大张开度包络云图(单位：mm)

图11为地震过程中闸首中北边墩与基岩接触面最大张开度随高程变化的曲线。由图11可知,地震作用下高程160m以下的结构与基岩接触良好,地震作用下仍然保持紧贴状态,高程160m以上接触面张开度随着高程的增加而增大,最大值出现在顶部。为了研究地震过程中接触面的开合变化,选取张开度最大值点绘制了时程曲线,如图12所示。从时程曲线来看,地震过程中接触面是开合往复的,在地震结束时恢复到了震前的紧贴状态。

图11 闸首中北边墩与基岩接触面最大张开度与高程关系

图12 边墩与基岩接触面张开度最大值点时程曲线

3.3.2边墩与底板的接触状态

地震作用下各边墩与底板间结构缝最大张开度包络云图如图13所示。由图13可知,由于10mm结构缝的存在,接触面基本处于张开的状态。地震作用下结构缝最大张开度为10.2mm,出现在中南边墩结构缝上游侧顶部角点处。结构缝张开度最大值点时程曲线如图14所示,在地震持续的过程中结构缝的宽度始终在10mm附近变化,地震结束时,又恢复到了地震前的接触状态。

图13 边墩与底板间结构缝最大张开度包络云图(单位：mm)

图14 边墩与底板间结构缝张开度最大值点时程曲线

3.3.3边墩与挡水坝的接触状态

挡水坝与各闸首边墩的交界面也采用了接触单元进行模拟,根据计算结果绘制了接触面的最大张开度包络云图,如图15所示。由图15可知,地震作用下接触面最大张开度为1.4mm,出现在中南边墩与挡水坝接触面的上游侧顶部,张开度沿高度方向递增,挡水坝与边墩在中下部接触良好,地震过程中仍处于紧贴状态。张开度最大值点的时程曲线如图16所示,在地震持续的过程中接触面是开合往复的,在地震结束时,又恢复到了震前的接触状态。