某水库除险加固工程中启闭塔抗震设计校核

某水库除险加固工程中启闭塔抗震设计校核

第33卷第4期人民黄河V()1．33．No．42011年4月YELL0WRIVERApt．，2011【水利水电工程】某水库除险加固工程中启闭塔抗震设计校核方天祥，史志刚，郭永建(1．华北水利水电学院，河南郑州450011；2．中铁二院(成都)咨询监理有限责任公司，四川成都610031；3．重庆市水利电力建筑勘测设计研究院，重庆400020)摘要：水库的启闭塔在蓄水和泄洪过程中发挥着极其重要的作用，利用谱分析法进行水工建筑物抗震分析可以得到可信的结果，采用大型通用软件ANSYS对某小型水库的启闭塔进行抗震设计校核计算，结果表明，该水库的抗震设计是安全的。关键词：除险加固；启闭塔；抗震；有限元分析中图分类号：TV664；TV223．7文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2011．04．055启闭塔在水库蓄水与泄洪过程中发挥着极其重要的作用。质量公式为在水库正常蓄水过程中，水位时常变化，来自库内水体的侧压6(y)=7力及波浪压力等会直接或间接作用于闸门，进而作用于启闭塔；在泄洪过程中，上游来水较快，此时动水压力的荷载作用更因此，可以用附着结构面的一定质量的水体来代替水的动力学加明显，伴随着库内水位的急剧变化，结构稳定性将受到很大效应，见图2。的影响。在地震过程中，启闭塔的抗震能力关系着水库的泄洪能力，一旦启闭塔的水闸操作装置失事，将导致水库中的水不II＼能及时下泄，对库区及下游造成极大的危害。因此，对启闭塔的静动力分析，特别是有关地震方面的分析非常重要。’振型分解反应谱法是目前水工结构抗震设计规范规定的l一一种常规方法，其分析包括模态分析、谱分析、模态扩展和模态图1韦氏基本假设合并4个环节。对于地震校核计算来说，反应谱法考虑了地震作用下理论上的最不利组合以及在最不利荷载组合下结构响应的合理性，由此达到校核的目的。某水库位于河南省中部偏西、伏牛山脉北部余脉向豫东平原过渡地带的北汝河支流蓝河上，控制流域面积为167km，河道全长37．5km，平均比降为0．0025，是一座以防洪、灌溉为主，兼顾水产养殖等综合利用的小(1)型水库，总库容为图2韦氏附加质量公式示意367．58万m。该水库枢纽由大坝、溢洪道、输水洞等组成。该水库所在区域内地震动峰值加速度设计值为0．05g，地震烈度1．2有限元边界处理对于建好的启闭塔几何模型，采用一致性黏弹性人工边为Ⅵ度，该工程主要建筑物为4级，按照Ⅵ度设防。界，因此将启闭塔的地基范围适当扩大，依据计算经验，顺水流1计算要点方向(即该算例中的方向)及其垂直方向(即该算例中的Y方向)的基础宽度扩展至0．6倍的塔高。而在z方向上(铅直方向)，1．1结构与水体动力相互作用不考虑地震纵波的影响，因此不再扩展启闭塔地基的深度。地震时，挡水结构与水体的动力相互作用是结构分析的重1．3反应谱的合成与构造要内容之一。在水体质量和弹性的影响下，结构的动力响应将地震荷载作用下启闭塔结构的动力反应计算采用振型分发生较大的变化，这个变化往往会增大结构的动位移和动应力。本次校核计算考虑刚性墙的动水压力——韦斯特伽德问题。收稿日期：2010—08-20假设坝体的挡水面是刚性垂直的，水深为常数，库水向上基金项目：郑州市科技攻关项目(006523)；华北水利水电学院高层次人才科研启动项目(200911)。游无限延伸，地震时地面运动为水平简谐振动，受水平地震运作者简介：方天祥(1985一)，男，重庆人，硕士研究生，研究方向为水工结构工程。动加速度“(t)=U0cos~-t的作用(见图1)。韦斯特伽德附加E-mail：fanglovel23123@l63．com·133·n人民黄河2011年第4期解反应谱分析方法，该方法主要用于研究结构的抗震强度。依抗震能力的主要因素之一，取出沿z方向启闭塔的基础、中部据《水工建筑物抗震设计规范》J，进水塔以及水闸的地震响闸室、操作室等具有代表性的节点，得到应力大小与z轴的关应系数最大值卢=2．25，根据场地类别(二类)，取场地的特系，见图4。征周期=0．30s，阻尼比取5％，地震的峰值加速度为0．05g。由此便可以得到地震响应系数口与结构体系自振周期的7关系。把整个结构视为单自由度体系，直接输入设计的反萋；督43应谱。2模型的建立Z／em图4地震作用下节点应力与Z轴的关系考虑到结构分析的实用性，忽略爬梯、避雷针、通气孔和栏杆等非主要受力构件，取启闭塔的基础、闸室、检修平台、上4校核对比分析(下)闸箱、工作平台以及操作室等主要构件建立三维空间几何模型。该启闭塔基础为C30混凝土，基础至中部检修平台为由计算结果可知，在顺河向地震作用下，地震频率参与3、C25混凝土，启闭机房为C20混凝土。在动荷载作用下，动弹4、5、8、9和10阶的振型。启闭塔闸室的最大位移出现在启闭性模量取静弹性模量的1．5倍，泊松比不变。对于附加水体质机室的屋顶，达到1．9am，校核表明，钢筋混凝土结构在这样的量，采用ANSYS材料库中的Mass单元，直接赋值于进水口的地震荷载作用下混凝土的保护层必定开裂，但结构依旧稳定。闸墩迎水面、部分基础以及中部的启闭室的节点上。另外，采另外，在闸室与闸门的交界处节点(计算编号为881～886)的用实体单元对钢筋混凝土实际弹性模量的模拟与素混凝土弹平均变形量为0．12cm，变形量很小，对闸门的正常启闭没有太性模量相比增加3％～5％l_jj。用有限元通用分析软件ANSYS大的影响。操纵室的启闭机用钢绞线与闸门相连，因此上部闸划分网格后的有限元模型，共计单元数5048个、节点数为箱的变形量对钢绞线(柔性体)的影响可以忽略。1906个，见图3。在该地震频率的作用下，最大的拉应力区主要集中在水闸与下闸箱的连接处，该区域正是启闭塔的闸室和塔体的基础，而此处常常是分开施工，对抗震极为不利，应当尽量避免这种情况。而在设计时可以考虑局部加强配筋，以克服地震荷载的不利影响。5结语结合某小型水库除险加固工程中启闭塔的设计，运用大型通用软件ANSYS进行了有限元抗震分析校核计算，在建模中，实际的工作桥等结构作为附加质量作用于整个启闭塔身，使得图3启闭塔计算有限元模型结构的自振周期延长、计算结果偏大。如果完全模拟实际的工作桥、启闭机等结构，结果会更加符合实际情况。3抗震有限元计算对于抗震来说，启闭塔中部闸室以上的操纵室及其屋顶应按照谱分析的基本计算流程，利用ANSYS提供的Sub—该尽量避免结构重心上移。从机构动力学的计算上也可知，无apace方法对结构进行模态分析，得到结构在自然频率下的振动论是作为单自由度体系还是多自由度体系，重心的上移都会延响应情况、在特定方向上某个振型在多大程度上参与了振动，长结构的自振周期，进而影响结构的抗震能力。在同样地震荷并可以得到下一步计算所需的频率。为保证计算精度，提取载作用下，上部结构的质量对整体结构响应的敏感性需进一步该计算模型前1O阶模态的频率，见表1。研究。表1启闭塔自振频率参考文献：阶次频率／Hz阶次频率／Hz10．4265．5O[1]赵光恒．结构动力学[M]南京：河海大学出版社，1996．20．45713．66[2]陈厚群，侯顺载．DI5073-2000水工建筑物抗震设计规范[S]．北京：中国30．478l4．13电力出版社，2001．4O．60914．43[3]周长城，胡仁喜，熊文波．ANSYSII．0基础与典型范例[M]北京：电子工业55．22lO15．O2出版社，2009．【责任编辑张华岩】在模态分析的基础上，地震作用效应的高阶振型略去不计，将设计的反应谱值沿顺河道方向输入，得到该启闭塔在地震荷载作用下的响应情况。由计算结果可知，结构的最大位移方向指向逆向河流的方向，为1．9cm。结构拉应力是反映结构·134·