基巖劣化對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)影響研究

韓俊嶺 吳建興

(1.河南五建建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450045； 2.河南天禹水利工程建設(shè)有限責(zé)任公司，河南 信陽 464000)

基巖劣化對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)影響研究

韓俊嶺1吳建興2

(1.河南五建建設(shè)集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450045； 2.河南天禹水利工程建設(shè)有限責(zé)任公司，河南 信陽 464000)

基于ABAQUS有限元軟件并采用時(shí)程分析方法，對三種塔背基巖劣化模型進(jìn)行數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明隨著巖石劣化程度增加，塔體穩(wěn)定性逐漸削弱，塑性區(qū)逐漸增加，塔體及基巖應(yīng)力也逐漸增大。

進(jìn)水塔，基巖劣化，數(shù)值模擬，時(shí)程分析

0 引言

我國西南強(qiáng)地震高發(fā)區(qū)域正規(guī)劃、設(shè)計(jì)或開工建設(shè)一批高壩大庫型水電工程項(xiàng)目，研究強(qiáng)地震激勵(lì)作用下高進(jìn)水塔的力學(xué)行為和結(jié)構(gòu)性能、選擇合理高效的數(shù)值分析方法、建立結(jié)構(gòu)安全評價(jià)準(zhǔn)則已經(jīng)成為這類水工建筑物設(shè)計(jì)中至關(guān)重要的關(guān)鍵技術(shù)[1-3]。對于這樣的高烈度地震區(qū)的高塔體結(jié)構(gòu)，需研究基巖性狀對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)抗震性能的影響，以評價(jià)進(jìn)水塔體結(jié)構(gòu)的抗震安全性，有限元?jiǎng)恿τ?jì)算采用時(shí)程分析法探討基巖劣化對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)的影響。

1 有限元模型

通過基巖參數(shù)劣化數(shù)值模擬，研究對進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)整體失穩(wěn)影響。對基巖采用DP非線性本構(gòu)模型進(jìn)行分析，分別采用三種不同基巖參數(shù)計(jì)算模型，基巖關(guān)鍵參數(shù)如表1所示，其中模型1為正常基巖參數(shù)，模型2和模型3為基巖逐漸劣化的計(jì)算參數(shù)，其中模型3巖石劣化程度最大。采用時(shí)程分析計(jì)算進(jìn)水塔的整體失穩(wěn)影響，時(shí)程分析有限元模型如圖1所示。

表1 3種不同計(jì)算模型基巖參數(shù)表

2 數(shù)值模擬

塔背基巖接觸部位是應(yīng)力集中區(qū)域，本節(jié)研究塔背基巖劣化對該部位塑性應(yīng)變的影響。計(jì)算結(jié)果為時(shí)程分析結(jié)果。圖2～圖4為塔背順河向、豎向和橫河向三個(gè)方向塑性應(yīng)變計(jì)算結(jié)果。

由塔背基巖三個(gè)方向塑性應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可知，在塔背基巖沒有劣化之前，由于該部位為應(yīng)力集中區(qū)域，基巖已經(jīng)出現(xiàn)塑性應(yīng)變，但較后兩種劣化模型的塑性應(yīng)變明顯小很多，其中順河向和豎向塑性應(yīng)變模型1約為模型2和模型3的20%，橫河向塑性應(yīng)變模型3為模型1和模型2的數(shù)倍。計(jì)算結(jié)果表明，基巖劣化會導(dǎo)致塔背應(yīng)力集中區(qū)域的基巖出現(xiàn)更大的塑性應(yīng)變，當(dāng)變形過大會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，使得塔背基巖與塔身脫離，如果此時(shí)建基面基巖塑性應(yīng)變也較大，進(jìn)水塔有向上游傾覆的可能，導(dǎo)致發(fā)生整體失穩(wěn)。

圖5～圖7為塔背順河向、豎向和橫河向三個(gè)方向應(yīng)力計(jì)算結(jié)果。

由塔背基巖三個(gè)方向正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，在塔背基巖沒有劣化之前，由于該部位為應(yīng)力集中區(qū)域，基巖已經(jīng)出現(xiàn)塑性應(yīng)變，基巖在開始階段承受一定的拉應(yīng)力，隨著塑性應(yīng)變的增加以及裂紋的出現(xiàn)，基巖逐步只能承受壓應(yīng)力。隨著基巖的不斷劣化，塔背基巖塑性應(yīng)變不斷增加，其承受的壓應(yīng)力也逐漸增大。其中模型3壓應(yīng)力最大，模型2其次，模型1最小，模型2和模型3的壓應(yīng)力為模型1的3倍左右。

計(jì)算結(jié)果表明，在地震荷載作用的初始階段，三種模型塔背基巖所承受的拉應(yīng)力基本相當(dāng)，隨著地震荷載強(qiáng)度的增加，塔背基巖塑性應(yīng)變增大直至出現(xiàn)裂紋，因此基巖劣化會導(dǎo)致塔背接觸部位的基巖壓應(yīng)力顯著增加。

3 結(jié)語

采用DP非線性模型模擬在地震荷載作用下基巖劣化對進(jìn)水塔結(jié)果整體失穩(wěn)的影響，由計(jì)算結(jié)果可以得到以下幾個(gè)結(jié)論：

1)由塔背基巖三個(gè)方向塑性應(yīng)變計(jì)算結(jié)果可知，在塔背基巖沒有劣化之前，由于該部位為應(yīng)力集中區(qū)域，基巖已經(jīng)出現(xiàn)塑性應(yīng)變，但較后兩種劣化模型的塑性應(yīng)變明顯小很多，其中順河向和豎向塑性應(yīng)變模型1約為模型2和模型3的20%。基巖劣化會導(dǎo)致塔背應(yīng)力集中區(qū)域的基巖出現(xiàn)更大的塑性應(yīng)變，當(dāng)變形過大會導(dǎo)致裂紋的產(chǎn)生及擴(kuò)展，使得塔背基巖與塔身脫離。

2)由塔背基巖三個(gè)方向正應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知，在塔背基巖沒有劣化之前，由于該部位為應(yīng)力集中區(qū)域，基巖已經(jīng)出現(xiàn)塑性應(yīng)變，基巖在開始階段承受一定的拉應(yīng)力，隨著塑性應(yīng)變的增加以及裂紋的出現(xiàn)，基巖逐步只能承受壓應(yīng)力。隨著基巖的不斷劣化，塔背基巖塑性應(yīng)變不斷增加，其承受的壓應(yīng)力也逐漸增大。其中模型3壓應(yīng)力最大，模型2其次，模型1最小，模型2和模型3的壓應(yīng)力為模型1的3倍左右。

3)岸塔式進(jìn)水塔依靠自重和塔背巖體支撐共同維持穩(wěn)定，只要岸塔式進(jìn)水塔基底應(yīng)力在巖體的允許應(yīng)力范圍之內(nèi)，塔體就不致發(fā)生整體失穩(wěn)。隨著基巖的不斷劣化，基巖出現(xiàn)塑性應(yīng)變，由于此時(shí)塔背接觸部位應(yīng)變較大，已經(jīng)出現(xiàn)裂紋甚至導(dǎo)致塔背基巖與塔身的分離，進(jìn)水塔就會產(chǎn)生向上游的傾覆，發(fā)生整體失穩(wěn)。

[1] 李山有，廖振鵬.地震體波斜入射情形下臺階地形引起的波型轉(zhuǎn)換[J].地震工程與工程振動(dòng)，2002，22(4)：9-15.

[2] 李付長.白龜山水庫堤壩地震可液化地基的抗震處理[J].人民黃河，2010，32(7)：116-119.

[3] 費(fèi) 康.ABAQUS軟件在高進(jìn)水塔動(dòng)力分析中的應(yīng)用[J].水利與建筑工程學(xué)報(bào)，2008，6(4)：10-12.

Research on bedrock degradation effect on stability of the intake tower

HAN Jun-ling1WU Jian-xing2

(1.HenanWujianConstructionGroupCo.,Ltd，Zhengzhou450045,China；2.HenanTianyuHydraulicEngineeringConstructionCo.,Ltd,Xinyang464000,China)

Based on ABAQUS software, time history method is used to analysis structure mechanical characteristics with three bedrock degradation model. The numerical simulation results show that with the increase of the rock degradation, stability of tower body gradually weakened and the plastic zone increases gradually， tower body and bedrock increases gradually.

intake tower， bedrock degradation， numerical simulation， time history method

1009-6825(2014)30-0058-03

2014-08-14

韓俊嶺(1979- )，男，工程師； 吳建興(1971- )，男，工程師

TU311.2

A