地震作用下某水電站進(jìn)水口攔污柵墩塔間設(shè)置八字形連梁影響分析研究

袁 潔，張俊發(fā)

（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

地震作用下某水電站進(jìn)水口攔污柵墩塔間設(shè)置八字形連梁影響分析研究

袁 潔1，張俊發(fā)2

（1.中國(guó)電建集團(tuán)成都勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072；2.西安理工大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，陜西 西安 710048）

對(duì)某水電站3號(hào)進(jìn)水口攔污柵墩塔間設(shè)置八字形連梁與不設(shè)置八字形連梁兩種情況在地震作用下的影響進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：取消八字形連梁對(duì)攔污柵墩的受力影響不大，對(duì)普通連梁的彎矩影響較大，主要表現(xiàn)在垂直于進(jìn)水方向地震作用下，八字形連梁高程處墩塔普通連梁的彎矩較未取消八字連梁前增加接近一倍。本研究結(jié)果可為水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

進(jìn)水口；八字梁；地震作用

1 工程概況

某水電站是瀾滄江中下游河段的第一級(jí)水電站，壩址控制流域面積9.72萬(wàn)km2，多年平均流量1 010 m3／s。工程開(kāi)發(fā)任務(wù)以發(fā)電為主。電站裝機(jī)4臺(tái)，總裝機(jī)容量900 MW，多年平均年發(fā)電量40.41億kW·h。樞紐工程由碾壓混凝土重力壩（最大壩高105 m）、壩身泄水建筑物、右岸地下引水發(fā)電系統(tǒng)及地面開(kāi)關(guān)站等建筑物組成。

電站進(jìn)水口采用“一機(jī)一孔”布置方式，共四孔，從左至右依次為1～4號(hào)進(jìn)水口，每孔間布置結(jié)構(gòu)縫；進(jìn)水閘頂部總長(zhǎng)度122 m，其中1號(hào)進(jìn)水閘長(zhǎng)38 m，其他三孔閘均為28 m。各孔閘順?biāo)鞣较蛴蓴r污柵、閘門(mén)、啟閉機(jī)布置及交通要求確定頂寬為30.5 m（包括上游牛腿），依次分為攔污柵段、連接段、閘室段和方變圓漸變段。攔污柵采用通倉(cāng)式布置，設(shè)置有主、副兩道攔污柵，主、副柵均分為5孔。閘室段設(shè)置有平板檢修閘門(mén)槽和快速事故閘門(mén)槽各一道，檢修門(mén)孔口尺寸為11 m×12 m，事故門(mén)孔口尺寸為11 m×11 m，每個(gè)事故門(mén)后設(shè)兩個(gè)通氣孔，通至1 310 m高程。事故閘門(mén)后以長(zhǎng)度約16.7 m的方變圓漸變管段與直徑11 m的引水隧洞連接。

進(jìn)水口攔污柵及閘室規(guī)模較大，進(jìn)水口內(nèi)設(shè)置的檢修門(mén)槽、工作門(mén)槽以及引水管等孔洞導(dǎo)致其成為復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，同時(shí)進(jìn)水口還承受上游水庫(kù)水壓力，且工程區(qū)地震烈度較高，攔污柵、進(jìn)水口結(jié)構(gòu)的靜、動(dòng)力結(jié)構(gòu)反應(yīng)是設(shè)計(jì)時(shí)十分關(guān)心的問(wèn)題。為評(píng)價(jià)進(jìn)水口的靜、動(dòng)力結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、穩(wěn)定情況，評(píng)價(jià)目前的進(jìn)水口設(shè)計(jì)方案，為施工詳圖設(shè)計(jì)工作提供依據(jù)，有必要對(duì)進(jìn)水口結(jié)構(gòu)進(jìn)行計(jì)算分析研究。設(shè)計(jì)方案中，攔污柵的3號(hào)、4號(hào)墩位于進(jìn)水洞口的正前方。在進(jìn)水洞口高度范圍內(nèi)，3號(hào)、4號(hào)墩與塔身的連梁只能連于洞口的左右兩側(cè)，從平面圖上看呈八字形，故稱(chēng)八字形連梁。本研究結(jié)合3號(hào)進(jìn)水口對(duì)八字形連梁的受力特點(diǎn)和取消八字形連梁后的影響進(jìn)行分析。

2 計(jì)算基本資料

2.1 進(jìn)水口地質(zhì)條件

進(jìn)水口位于右岸6號(hào)、7號(hào)溝之間中陡斜坡下部（坡度35°～40°），地形較整齊。該部位邊坡高陡，除局部小沖溝內(nèi)分布有少量洪積碎石土外，大部分地段基巖裸露。進(jìn)水口基礎(chǔ)巖性以變質(zhì)砂巖、石英砂巖為主（占64%以上），建基高程1 245～1 275.50 m，進(jìn)入弱風(fēng)化中，屬Ⅲ1類(lèi)巖體。

巖層產(chǎn)狀為NW 350°SW∠65°。巖體中斷層、裂隙較發(fā)育，斷層主要為NW 335°～360°SW∠60°～80°的一組；斷層規(guī)模較小，破碎帶寬度一般為10～50 cm，多充填巖屑、巖塊及少量斷層泥，未膠結(jié)。

2.2 地震烈度

根據(jù)DL5073－2000《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》，本工程抗震設(shè)防類(lèi)別為乙類(lèi)，其設(shè)防烈度為Ⅶ度。根據(jù)場(chǎng)地50年、100年不同超越概率水平的地震烈度值計(jì)算結(jié)果，壩址場(chǎng)地50年超越概率為10%時(shí)地震烈度值為Ⅶ度，100年超越概率為2%時(shí)地震烈度值為Ⅷ度。壩址場(chǎng)地50年超越概率10%基巖水平加速度峰值為143.1 Gal，100年超越概率2%基巖水平加速度峰值為257.1 Gal。

2.3 基巖、混凝土力學(xué)參數(shù)

（1）基巖。有限元計(jì)算中主要材料的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表1。建基面摩擦系f′＝0.75；建基面粘聚力c＝600 kN／m2；回填石渣容重γ＝22 kN／m3；石渣內(nèi)摩擦角為35°。

表1 主要材料的物理力學(xué)參數(shù)

（2）混凝土。攔污柵排架混凝土采用C25，進(jìn)水口閘體均按C20混凝土考慮。

3 計(jì)算原理和方法

本文計(jì)算分析主要按照《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》［4］執(zhí)行，但因規(guī)范［4］對(duì)結(jié)構(gòu)變形的驗(yàn)算未作規(guī)定，故本文對(duì)地震作用下的變形驗(yàn)算參照《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的規(guī)定執(zhí)行。內(nèi)力分析及變形計(jì)算使用有限元法，基本方程如下［1－3］：

3.1 對(duì)于靜力問(wèn)題

式中 ［K］——為總體剛度矩陣；

｛U｝——為結(jié)構(gòu)結(jié)點(diǎn)位移向量；

｛F｝——為荷載向量。

3.2 對(duì)于地震作用的動(dòng)力問(wèn)題

式中 ［M］、［C］、［K］——分別為總體質(zhì)量、阻尼和剛度矩陣；

可以使用振型分解法將（2）式的聯(lián)立微分方程組變?yōu)楠?dú)立的微分方程組，進(jìn)而可使用振型疊加法求結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)。

地震反應(yīng)的計(jì)算，采

用振型分解反應(yīng)譜法［1，2］。分別對(duì)沿進(jìn)水方向（x向）和垂直于進(jìn)水方向（y向）的地震輸入進(jìn)行了計(jì)算，沿x向、y向單向水平地震作用下所得的地震作用效應(yīng)采用完全二次型方根法（CQC法）各振型的反應(yīng)組合，計(jì)算按下式［4，5］進(jìn)行：

式中 ζ——為地震作用折減系數(shù)，對(duì)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，內(nèi)力反應(yīng)取ζ＝0.35，位移反應(yīng)取ζ＝1.0；

SEk——地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值；

Si、Sj——分別為第i階、第j階振型的地震作用效應(yīng)；

m——計(jì)算采用參與振型數(shù)；

ρij——第i階和第j階的振型相關(guān)系數(shù)；ζi、ζj——分別為第i階、第j階振型的阻尼比，本報(bào)告中均取0.05；

γω——圓頻率比，γω＝ωj／ωi；

ωi、ωj——分別為第i階、第j階振型的圓頻率。

由（3）式或（4）式可見(jiàn)，采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震反應(yīng)時(shí)，所得地震作用效應(yīng)為正值，因此，在與其他荷載工況組合時(shí)，須按“＋地震作用”和“－地震作用”兩種情況去考慮［6，7］。如最大拉應(yīng)力是由“＋地震作用”的組合工況去確定，而最大壓應(yīng)力則是由“－地震作用”的組合工況去確定。再如由“＋X地震作用”的組合工況所得結(jié)構(gòu)某截面的正應(yīng)力云圖中出現(xiàn)的拉應(yīng)力區(qū)，是表示沿X方向往復(fù)地震動(dòng)所引起的，這和不同靜力荷載工況組合下的結(jié)果有所不同。

本報(bào)告采用振型分解反應(yīng)譜法計(jì)算地震反應(yīng)，使用規(guī)范［4］中的反應(yīng)譜（見(jiàn)圖1）。考慮到進(jìn)水口坐落于基巖之上，場(chǎng)地類(lèi)別定為Ⅰ類(lèi)，按照規(guī)范［4］第4.3．6條的規(guī)定，反應(yīng)譜特征周期取值為T(mén)g＝0.2 s。地面水平加速度峰值ah取壩址場(chǎng)地50年超越概率10%基巖水平加速度峰值，即為143.1 Gal，動(dòng)力系數(shù)最大值βmax取為2.25，由此推出的水平向加速度反應(yīng)譜如圖2所示。

圖1 《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中的反應(yīng)譜

圖2 水平向地震加速度反應(yīng)譜

進(jìn)水口地震作用效應(yīng)的動(dòng)力效應(yīng)分析須考慮塔內(nèi)外水體的影響，本研究采用了規(guī)范［4］第10.1.6條推薦的附加質(zhì)量法加以考慮。

在本研究的計(jì)算中，分下列5種單獨(dú)荷載作用情況（見(jiàn)表2），不同的分析工況（荷載組合工況）由它們組合計(jì)算。

表2 計(jì)算中的荷載情況

承載能力設(shè)計(jì)中，應(yīng)采用下列極限狀態(tài)設(shè)計(jì)表達(dá)式：

本進(jìn)水口屬2級(jí)水工建筑物，重要性系數(shù)取為1.0。結(jié)構(gòu)系數(shù)γd取為1.20。用于承載力設(shè)計(jì)的各工況各系數(shù)取值如表3。需要特別指出的是，建筑規(guī)范中采用兩階段設(shè)計(jì)的方法，分別基于多遇地震和罕遇地震，給出了多遇地震下的彈性變形限值。而水工規(guī)范采用的是基于偶遇地震（基本設(shè)防對(duì)應(yīng)地震動(dòng)參數(shù)）的一階段設(shè)計(jì)方法，兩者不一致。但對(duì)偶遇地震的作用效應(yīng)乘以0.35的折減系數(shù)以后，則和建筑規(guī)范中的多遇地震是基本一致的。

表3 不同分析工況下承載能力設(shè)計(jì)中各系數(shù)取值

結(jié)構(gòu)構(gòu)件正常使用極限狀態(tài)應(yīng)分別按作用（荷載）效應(yīng)的短期組合和長(zhǎng)期組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。對(duì)短期組合，應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式：對(duì)長(zhǎng)期組合，應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式：

式中 c1、c2——為結(jié)構(gòu)的功能限值；

Ss、S1——為作用（荷載）效應(yīng)短期組合和長(zhǎng)期組合式的功能函數(shù)；

fk——為材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值；

ρ——為可變作用標(biāo)準(zhǔn)值的長(zhǎng)期組合系數(shù)；γd3、γd4——為正常使用極限狀態(tài)短期組

合、長(zhǎng)期組合的結(jié)構(gòu)系數(shù)。

地震作用下的變形驗(yàn)算根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》可采用下式：SE（·）≤c3，其中，SE為地震作用效應(yīng)的功能函數(shù)；c3為結(jié)構(gòu)的功能限值。

4 墩塔間設(shè)置八字形連梁的影響分析

4.1 八字形連梁的受力特點(diǎn)

本研究采用有限元結(jié)構(gòu)分析軟件進(jìn)行靜動(dòng)力分析［8］。圖3～5給出了進(jìn)水方向地震作用下，八字形連梁所在高程的各墩塔間連梁的彎矩My、剪力Fy和軸力FN。可見(jiàn)：八字形連梁承受的彎矩略小于普通連梁；剪力不及普通連梁的一半；但軸力是普通連梁的3倍左右。

圖6～8給出了垂直于進(jìn)水方向地震作用下，八字形連梁所在高程的各墩塔間連梁的彎矩Mz、剪力Fx和軸力FN。可見(jiàn)：八字形連梁承受的彎矩略小于普通連梁；剪力略小于普通連梁；但軸力是普通連梁的10倍左右。最后一點(diǎn)是八字形連梁的重要受力特點(diǎn)之一。八字形連梁所在高程的各墩塔間連梁與前方的墩間連梁、后方的塔身，可認(rèn)為形成一個(gè)框架結(jié)構(gòu)體系。但八字形連梁因斜向布置，類(lèi)似于桁架結(jié)構(gòu)中的斜腹桿，在垂直于進(jìn)水方向地震作用下，塔、墩間會(huì)產(chǎn)生左右錯(cuò)動(dòng)，導(dǎo)致八字形連梁產(chǎn)生很大的軸力，隨著地震作用的往復(fù)，八字形連梁軸力時(shí)拉時(shí)壓，這一受力特點(diǎn)，設(shè)計(jì)中應(yīng)予以考慮。

圖3 3號(hào)進(jìn)水口進(jìn)水方向地震作用下八字梁彎矩（My）（單位：N·m）

圖4 3號(hào)進(jìn)水口進(jìn)水方向地震作用下八字梁軸力（N）（單位：N）

圖5 3號(hào)進(jìn)水口進(jìn)水方向地震作用下八字梁剪力（Fz）（單位：N）

圖6 3號(hào)進(jìn)水口垂直于進(jìn)水方向地震作用下八字梁彎矩（Mz）（單位：N·m）

圖7 3號(hào)進(jìn)水口垂直于進(jìn)水方向地震作用下八字梁軸力（N）（單位：N）

圖8 3號(hào)進(jìn)水口垂直于進(jìn)水方向地震作用下八字梁剪力（Fy）（單位：N）

4.2 取消八字形連梁后的影響分析

八字形連梁位于進(jìn)水洞口的正前方，會(huì)影響到進(jìn)水的流態(tài)，從水力學(xué)的角度分析，取消它為佳。下邊對(duì)取消八字形連梁后從結(jié)構(gòu)受力上的影響進(jìn)行分析。

圖9～10給出取消八字形連梁后在進(jìn)水方向地震下墩的彎矩My圖，和整體結(jié)構(gòu)x向位移圖。與原設(shè)計(jì)比較：

（1）墩的彎矩My在八字形連梁的高程處有了明顯的增加。最大值仍發(fā)生于中上部，最大值為1 150 kN·m，反而比原方案的1 240 kN·m降低了7.26%；

（2）整體結(jié)構(gòu)x向位移為4.53 mm，比原設(shè)計(jì)的4.49 mm僅高出了0.9%。

圖11～13給出取消八字形連梁方案在垂直于進(jìn)水方向地震下墩的彎矩Mx圖、八字形連梁的高程處墩塔連梁的彎矩Mz圖和整體結(jié)構(gòu)y向位移圖。與原設(shè)計(jì)比較：

（1）墩的彎矩Mz在八字形連梁的高程處有了明顯的增加。最大值仍發(fā)生于中部及下部，最大值為1 130 kN·m，比原方案的816 kN·m高出了38.5%；

（2）八字形連梁的高程處墩塔普通連梁的彎矩Mz的最大值為185.3 kN·m，比原方案的95.2 kN ·m高出了94.6%；

（3）整體結(jié)構(gòu)y向位移為11.01 mm，比原方案的10.05 mm高出了9.56%。

從以上分析可見(jiàn)：取消八字形連梁對(duì)攔污柵墩的受力影響不大；在垂直于進(jìn)水方向地震下八字形連梁的高程處墩塔普通連梁的彎矩Mz將近增加一倍。

圖9 3號(hào)進(jìn)水口去八字梁后進(jìn)水方向地震作用下攔污柵墩彎矩（My）（單位：N·m）

圖10 3號(hào)進(jìn)水口去八字梁后進(jìn)水方向地震作用下的x向位移（m）（標(biāo)準(zhǔn)值）

圖11 3號(hào)進(jìn)水口去八字梁后垂直于進(jìn)水方向地震作用下攔污柵墩彎矩（Mx）（單位：N·m）

圖12 3號(hào)進(jìn)水口去八字梁后垂直于進(jìn)水方向地震作用下彎矩（Mz）（單位：N·m）

圖13 3號(hào)進(jìn)水口去八字梁后垂直于進(jìn)水方向地震作用下的y向位移（m）（標(biāo)準(zhǔn)值）

5 結(jié)論與討論

通過(guò)對(duì)某水電站3號(hào)進(jìn)水口攔污柵墩塔間是否設(shè)置八字形連梁兩種情況在地震作用下的影響進(jìn)行分析，可以得出以下結(jié)論：取消八字形連梁對(duì)攔污柵墩的受力影響不大，對(duì)普通連梁的彎矩影響較大，主要表現(xiàn)在垂直于進(jìn)水方向地震作用下，八字形連梁高程處墩塔普通連梁的彎矩較未取消八字連梁前增加接近一倍。本研究結(jié)果可為水電站進(jìn)水口設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支撐。

［1］ 豐定國(guó)，王社良.抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.武漢：武漢工業(yè)大學(xué)出版社，2001（9）.

［2］ 周云，宗蘭，張文芳.土木工程抗震設(shè)計(jì)［M］.北京：科學(xué)出版社，2005.

［3］ 包世華.新編高層建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［M］.北京：中國(guó)水利水電出版社，2005（1）.

［4］ 中國(guó)水利水電科學(xué)研究院.（DL 5073－2000）水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：中國(guó)電力出版社，2000.

［5］ 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.（GB50011－2010）建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范［s］.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2010.

［6］ 中南勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院.（DL 5077－1997）水工建筑物荷載設(shè)計(jì)規(guī)范［J］.北京：中國(guó)電力出版社，1998.

［7］ 陳厚群，侯順載，梁愛(ài)虎.水電工程抗震設(shè)防概率水準(zhǔn)和地震作用的概率模型［J］.自然災(zāi)害學(xué)報(bào)，1993，2（2）.

［8］ 江見(jiàn)鯨等.工程結(jié)構(gòu)計(jì)算機(jī)仿真分析［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1996.

TV732.2

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1003－9805（2015）02－0010－05

2014－07－10

袁 潔（1983－），女，河南許昌人，碩士，研究方向?yàn)樗姽こ探Y(jié)構(gòu)計(jì)算。