高聳進水塔攔污柵墩連系梁結構體系的抗震分析

李子民， 李守義， 田 超， 王 博， 趙 洋， 楊 勇

(西安理工大學， 陜西 西安 710048)

1 研究背景

在水利樞紐工程中，引水、泄水建筑物的進水口具有舉足輕重的地位[1]。近年來，隨著我國筑壩技術[2-3]快速發展，大批70 m級以上的水電站高聳進水塔相繼建成。由于進水塔體型結構及其受力情況非常復雜且大部分結構修筑在水中，若產生破壞，不僅維修困難，還會導致整個水利樞紐不能正常運行。因此對高聳進水塔結構進行仿真分析和抗震研究具有重要的現實意義[4-7]。

水電站進水口一般在進口段設有攔污柵，而攔污柵墩的剛度小，穩定性差[8]，工程中常通過設置連系梁來增加攔污柵墩及其附屬結構的穩定性和整體性。常見的高聳進水塔多為單薄的筒式或者箱式結構，在地震過程中容易產生變形和破壞，特別是進水塔的連系梁部位在地震工況下容易產生較大的拉應力。如何減輕連系梁的破壞程度成為一個關鍵的問題。Aulay P T和Binney J R提出連系梁斜對角交叉配筋結構，但限于配筋成本高，施工難度大等原因，在國內并未得到推廣。曹征良[9]認為將連系梁用縱向水平縫分成上、下兩個相同的構件，在跨度中部用混凝土鍵聯系，在地震作用下混凝土鍵逐步裂開可以有效的耗散地震能量，這種抗震連系梁在國內多種高層住宅[10]、酒店工程[11]中應用較廣。宋珊珊[12]提出在連系梁間增加從上層連系梁前下部延伸至底層連系梁后上部的斜拉梁結構，可以明顯提高連系梁整體結構的強度，有效限制裂縫的發展，但材料成本大大增加。

鑒于高聳進水塔攔污柵墩連系梁的相關文獻較少，現有連系梁的研究多基于高層房屋建筑工程，盡管可以為高聳進水塔連系梁的設計所參考，但由于進水塔結構區別于一般意義上的高層結構，其自身具有特殊性，因此需要對其穩定性及整體性進行專項研究。本文依托于某實際工程，采用反應譜法[13-14]，研究連系梁結構在不同的截面尺寸條件下，進水塔連系梁及相關部位的動力響應，并提出合理的設計尺寸，以期為高聳進水塔的連系梁結構尺寸設計提供參考。

2 工程概況

某大型水利樞紐工程，主要建筑物為1級建筑物，進水塔底板高程為507.00 m，頂部高程為582.20 m，最大塔高75.2 m，塔寬37.9 m(垂直水流方向)，塔長30 m(順水流方向)。塔體入口處分為5段，每段入口處都有5.0 m×72.7 m(寬×高)的攔污柵墩。在垂直水流方向每個攔污柵墩之間布有橫梁做連接，在順水流方向每個攔污柵墩與進水塔上游胸墻之間布有縱梁做連接，見圖1。

3 計算模型

3.1 基本假定

(1)假定塔體單元和地基單元選用不同的材料屬性，作為整體研究。

(2)假定塔體和地基的材料均為線彈性，均勻各向同性的連續體。

(3)假定地基為無質量地基，僅考慮其彈性變形。

3.2 有限元模型

3.2.1 計算模型范圍 高度方向：向上至塔頂，基礎向下取1.5倍塔高，約110 m；

上、下游及左右岸方向：塔上下游及左右岸各取1.5倍塔高，約110 m；

3.2.2 邊界條件 基礎底面固結，基礎四周法向約束，塔體與基礎間按連續單元模擬。

3.2.3 計算模型的單元劃分 塔體結構網格尺寸控制在1 m以內，塔上連系梁的網格尺寸控制在0.1～1 m，基礎網格尺寸控制在5～10 m。

3.2.4 坐標系 計算模型應用的坐標系：垂直水流為X軸方向，向右岸為正；水流方向為Y軸方向，向下游為正；沿高度方向為Z軸方向，向上為正。

塔體和地基均采用solid65實體單元模擬，單元總數188 837個，節點總數 95 936個。有限元計算模型如圖2、3所示。

3.3 材料力學參數

進水塔主體和回填材料均為C30混凝土，彈性模量為23.0 GPa，混凝土容重為25.0 kN/m3，泊松比為0.2。進水塔基礎巖石屬于中度風化巖，彈性模量為3.75 GPa，泊松比μ為0.28。

3.4 計算荷載

計算工況為地震工況(正常使用狀態+最大可信地震)。計算荷載：自重+靜水壓力+揚壓力+地震力。

地震力的計算與施加。采用振型分解反應譜法計算，反應譜采用實地測量譜，如圖4所示。最大可信地震的地面峰值加速度(PGA)為0.25 g，有效峰值地面加速度為0.1 g。計算地震動水壓力時僅考慮動水的慣性作用，采用附加質量[15]模擬。地震動水壓力參照EM1110-2-6051通過公式(1)計算，地震動水壓力計算示意圖如圖5所示。

(1)

式中：mai為點i處的動水壓力附加質量，kg；H為水深,m；Zi為點i到壩基的距離,m；Ai為點i處的附屬面積,m2;ρw為水的密度，kg/m3。

4 研究內容

采用反應譜法對進水塔地震工況下攔污柵墩連系梁截面尺寸進行3種方案的計算對比研究。進水塔關鍵部位如圖1所示；為便于研究，3種方案均假定橫梁跨度固定為5.5m, 縱梁跨度固定為6m；分別計算地震工況條件下，3種設計方案進水塔關鍵部位的應力、變形及其變化規律。

方案1：橫、縱梁高、寬均為1 m，進水塔單一設置橫(縱)梁。

方案2：縱梁高與寬均為1 m；滿足基本設計原則，高不小于寬的要求下，橫梁的寬、高在0.6、0.8、1.0和1.2 m 4種尺寸中相互組合分別計算。

方案3：橫梁高與寬均為1 m；滿足基本設計原則，高不小于寬的要求下，縱梁的寬、高在0.6、0.8、1.0和1.2 m 4種尺寸中相互組合分別計算。

圖1 進水塔關鍵部位示意圖

圖2 整體有限元模型

圖3 塔體有限元模型

圖4 最大可信地震的譜值

圖5 地震動水壓力計算示意圖

5 計算結果及分析

5.1 單一設置連系梁對進水塔關鍵部位的應力及形變影響

方案1進水塔關鍵部位的應力、形變及其變化規律計算結果如表1所示。

表1 僅設置橫梁或縱梁對進水塔結構關鍵部位應力的影響

由表1可知，進水塔單一設置橫(縱)梁結構時，該單一橫(縱)梁結構比原(橫縱梁)結構軸向承受拉應力值分別增大83.5%和76.7%；與其相連接的攔污柵墩，最大拉應力值分別增大22.1%和1.2%，總體呈增加趨勢；攔污柵墩X向位移增大52.6%和66.6%，Y向位移減小19.5%和1.5%，總位移整體呈增加趨勢。計算結果表明，增加縱(橫)梁可以有效限制攔污柵墩位移進而減少其(攔污柵墩)對橫(縱)梁的拉應力，單一設置橫(縱)梁結構時的塔體變形見圖6。

圖6 塔體位移放大圖

5.2 改變橫梁尺寸對進水塔關鍵部位的應力及形變影響

方案2進水塔關鍵部位的應力、形變及變化規律計算結果見表2。

表2 不同尺寸橫梁對進水塔結構關鍵部位應力的影響

結合表2數據，繪制不同截面尺寸橫梁對關鍵部位的應力響應圖和位移響應圖，如圖7～9。以圖7為例，分別沿縱坐標刻度線1和橫坐標刻度線0.8做延伸線，查詢延伸線交點所在位置的顏色對應應力值刻度尺的顏色，即可得到截面尺寸高1 m寬0.8 m的橫梁其軸向拉應力的最大值。

由表2與動力響應圖7～9可知，隨著橫梁結構尺寸的增大，其軸向拉應力由16.6 MPa減小到9.6 MPa，減小42.2%，且與其連接的攔污柵墩X向的位移減少26.7%，縱梁軸向的拉應力增加32.5%；由計算結果可以看出，橫梁截面面積大，橫梁剛度大，橫梁對攔污柵墩位移的限制作用強，而地震作用下，橫梁截面面積大，橫梁質量大，其地震慣性力大，塔體前傾趨勢較強，因此塔體縱梁軸向拉應力增大。

5.3 改變縱梁尺寸對進水塔關鍵部位的應力及形變影響

方案3進水塔關鍵部位的應力、形變及變化規律計算結果見表3。

整合表3中的數據，繪制不同截面尺寸縱梁對關鍵部位的應力響應圖和位移響應圖，如圖10～13。

圖7 不同截面尺寸橫梁對其軸向拉應力的應力響應圖 圖8 不同截面尺寸橫梁對縱梁軸向拉應力的應力響應圖 圖9 不同截面尺寸橫梁對攔污柵墩X向的位移響應圖

圖10 不同截面尺寸縱梁對其軸向 圖11 不同截面尺寸縱梁對攔污柵墩拉應力的應力響應圖 圖12 不同截面尺寸縱梁對胸墻與縱梁最大主拉應力的應力響應圖 連接部位最大主拉應力等值線圖

表3 不同尺寸縱梁對進水塔結構關鍵部位應力的影響

由表3與動力響應圖10～12可知，縱梁截面面積增大，其自身軸向的拉應力由7 MPa增加到9.2 MPa，增大31.4%，與胸墻連接部位的最大主拉應力增大36.3%，與攔污柵墩連接部位的最大主拉應力減少9.9%；計算結果表明，縱梁剛度增大，其對攔污柵墩位移的限制作用不明顯，縱梁的形變變幅較小，因此縱梁剛度大幅增加，其軸向拉應力反而增大，其與胸墻連接部分的大主拉應力亦增大，而攔污柵墩位移減小，其最大主拉應力減小。

6 結 論

本文采用反應譜法，研究了地震激勵下高聳進水塔攔污柵墩連系梁結構尺寸對進水塔關鍵部位應力和變形的影響，得到以下結論：

(1)橫(縱)梁可有效限制攔污柵墩位移，改善連系梁體系應力布局，其中橫梁對攔污柵墩位移限制作用較為明顯。

(2)改變橫梁尺寸可顯著改善塔體關鍵部位的應力和變形，橫梁尺寸大，其剛度大，自身軸向拉應力小，攔污柵墩位移小，縱梁的軸向拉應力小幅增加，較大橫梁尺寸有利于進水塔的結構穩定。

(3)改變縱梁尺寸對改變塔體關鍵部位的應力和變形影響較小，但縱梁尺寸大、其剛度大，自身軸向拉應力大，其與胸墻連接部分的第一主拉應力顯著增大。因此，較大的縱梁尺寸不僅增加成本，且不利于進水塔的結構穩定。

對于高聳進水塔結構，較大的橫梁尺寸有利于減小其軸向拉應力及攔污柵墩的位移，而較大的縱梁尺寸會增大成本且對結構產生不利影響?？梢?，適當的增加橫梁尺寸，減小縱梁尺寸可有效降低成本，改善結構安全。本文研究可為結構相似的進水塔的連系梁尺寸調整提供一定的參考作用。