河道防洪樞紐控制工程中柵墩縱梁參數對結構動力影響特征研究

俞 榮，劉澤人，夏友超

(1.南京振高建設有限公司，南京 211300； 2.南京市水利規劃設計院股份有限公司，南京 210001； 3.蘇交科集團股份有限公司，南京 210003)

1 概 述

水利工程中抗震設計也較為重要，水工建筑結構只有具備良好的抗震性能，才能更好地長期安全穩定運營，因而許多水利工程師借助各種手段來提升水工結構的動力抗震性能，在一定程度上也提升了水利工程的設計水平[1-2]。原型物理實驗在水利工程中運用較廣，它采用原型尺寸設計水工建筑，并借助振動臺等室內大型試驗儀器，研究結構破壞過程中動力響應特征，為結構設計提供具體試驗參數[3-5]。采用微震等現場監測儀器或原位測試儀器對工程現場水工建筑開展監測測試，能夠獲取到水利工程運營過程中的數據特征變化，為工程師預判水利安全狀態提供重要參考[6-8]。仿真計算能夠較好模擬不同運營工況下水利建筑所處環境，并結合不同設計方案，分析各設計方案下水工建筑的動力或靜力特征，從而為水工設計提供計算參數或模擬運營[9-11]。本文利用ANSYS仿真手段，計算獲得不同設計方案下柵墩動力響應特征，為確定最佳抗震設計方案提供重要計算依據。

2 工程資料

2.1 工程概況

某河道防洪樞紐工程包括上游攔污柵墩、節制閘、輸水隧洞及大壩堤防工程，為下游通航以及生產生活提供安全保障。枯水期甚至可以保證地區缺水率不會超過4%，同時可承擔地區超過1 000 km2面積農田，提升了區域水資源利用效率與水利工程安全性。攔污柵墩作為該水利樞紐工程重要水工結構設施，其迎水側是正常蓄水位高程379 m的大型水庫，總庫容設計為6 000×104m3，大壩堤防高程423.5 m，攔污柵墩設置于堤防大壩K+125 m處，具有過濾泥沙、減弱泥沙對水閘及堤防工程的流體沖刷作用。攔污柵墩后連接輸水渠道，渠首流量為0.65 m3/s，干渠總長度約125 km，以模袋式混凝土作為襯砌形式，保證輸水渠道安全穩定性。整個堤防工程中設計進水孔2個，分布于攔污柵墩下游，每個出水口為3.5 m×6.8 m，采用弧型鋼閘門作為水流量調控設施，設計有電腦程序精確控制式的液壓啟閉機，保證通行水流安全性與輸水效率。攔污柵設置有6根支撐墩，柵墩之間的間距為4 m，均采用預應力混凝土澆筑形成。設置有預應力錨索與錨固洞連接，保證閘墩安全可靠性。錨索共有4根主錨索與3根次錨索，主錨索橫貫在縱向梁上，上下排主錨索間距為1.4 m，次錨索靠近閘墩承載平臺邊緣設置，中間次錨索距離閘墩頂部2.2 m，錨索布設剖面形態見圖1。

圖1 錨索結構平面布置圖

目前由于該防洪樞紐工程運行時間較久，部分水工結構出現老化及滲漏，極大地威脅了整體水利結構安全穩定性。特別是在閘墩縱向梁上，作為攔污柵墩在縱向剖面上的承載結構，其安全可靠性對工程運營具有重大意義，因而對柵墩縱向梁安全加固設計很有必要。布設在柵墩縱向方向的縱向梁，軸向長度為1.5 m，目前工程設計部門考慮對該柵墩縱向梁的截面體型開展設計方案對比研究，以此獲取最適合該柵墩縱向梁截面的最佳方案。

針對縱向梁截面體型設計方案，考慮采用數值仿真計算手段，針對性解決不同縱向梁截面設計方案下柵墩整體應力變形特征，因而數值計算首先需解決目前堤防樞紐工程場地地質狀態，獲取相關巖土物理力學參數，確保各方案計算準確性。根據現場原位測試資料得知，該樞紐工程位于弱風化花崗巖層上，該基巖穩定性較好。現場所取出樣芯表明花崗巖完整性較好，表面無顯著孔隙，室內測試單軸抗壓強度接近60 MPa，三向壓力測試氣體滲透率最低僅為10-18m2。表面覆蓋土層為第四系堆積土層，松散性較大，局部變形程度較高，承載力較低，輸水渠道持力層甚至都穿過該層，位于下臥砂土層中，砂土粒徑最大僅為4 mm，含水量較低，承載力中等，渠道采用厚20 cm碎石墊層鋪設在此層上，即可滿足承載力要求。在上述工程資料及參數測試結果下，以地震動荷載作為約束，所采用地震動荷載實質上為EI Centro地震波，設計反應譜法疊加動力荷載，根據不同柵墩縱梁截面體型設計方案，分別計算獲得柵墩結構動力響應特征，為評判最優方案提供計算依據。

2.2 模型建立及動荷載

借助ANSYS軟件，按照柵墩整體幾何形態建立數值模型，且以六面變形體為基本單元體，經劃分模型網格單元后共獲得單元總數198 738個，節點數96 538個，所建立柵墩仿真模型見圖2。有限元模型中，空間坐標體系X、Y、Z正方向分別為水流右側垂線方向、順水流向、向上豎向。對比縱梁不同截面體型，只需改變縱梁剖面不同幾何設計參數，即可對比各方案下動力響應特征。

圖2 有限元仿真模型

邊界約束荷載考慮柵墩結構自重，外荷載為地震動作用，以擬靜力法考慮將地震動作用分為慣性力與動水壓力影響。其中慣性力以反應譜作為荷載確認，本文地震動反應譜以EI Centro地震波作為施加荷載，其反應譜見圖3，按照空間體系中3個方向，分別作用在結構模型網格單元節點上。由于堤防工程迎水側正常蓄水，因而所考慮的動水壓力M′根據式(1)計算[12-14]，按照力作用點施加在柵墩地基結構體系中。

(1)

式中：H為深度；Zi、Ai分別為壩基距離與截面積；ρw為流體密度。

圖3 加速度反應譜實測值

3 縱梁截面體型設計參數對動力特性的影響特征

3.1 縱梁截面高度

為研究縱梁截面高度參數對柵墩動力特性影響，在設計縱梁截面寬度均為0.5 m情況下，設定各截面高度分別為0.5 m(A方案)、1 m(B方案)、1.5 m(C方案)、2 m(D方案)4個方案，各截面體型方案見圖4。

圖4 不同截面高度設計方案(寬度均為0.5 m)

3.1.1 應力特征

經仿真計算獲得縱梁不同截面高度下應力變化特征，見圖5。從圖5中可看出，縱梁上最大拉應力與截面高度參數為正相關關系，當截面高度為0.5 m時，縱梁上最大拉應力為7.1 MPa；而當截面高度增大至1.5和2 m后，縱梁最大拉應力相比前者分別增大14.3%和17.1%。分析認為當縱梁截面高度增大后，柵墩橫梁上會過渡影響至縱梁，造成縱梁上拉應力有所增大。相比縱梁上最大拉應力遞增態勢，柵墩承臺上最大拉應力與截面高度并無顯著關聯性，承臺最大拉應力隨截面高度增大而穩定不變，最大拉應力均維持在9 MPa左右。腰墻上最大拉應力相比縱梁、承臺最大拉應力均要低很多，當截面高度均為1 m時，腰墻上最大拉應力為2 MPa，僅為同設計方案下縱梁、承臺最大拉應力的27.7%和22.7%；當截面高度增大時，腰墻上最大拉應力在截面高度1 m后增長顯著，截面高度2 m時最大拉應力相比高度1 m時增大21%。從工程安全性角度考慮，當截面高度在1m以下時，更有利于腰墻結構安全穩定性。

圖5 不同截面高度下最大拉應力變化特征

3.1.2 變形特征

圖6為不同截面高度設計參數下柵墩各方向位移變化值。從圖6中可知，柵墩X、Y向位移在截面高度遞增過程中幾乎無較大變化，分別穩定在14和13.7 mm，即截面高度改變并不影響柵墩在X、Y向上所發生的動力位移響應。柵墩Z向位移隨截面高度增大逐漸減小，高度0.5 m時柵墩Z向位移值為4.4 mm；而截面高度為1.5和2 m時的位移值相比前者分別降低6.8%和9.1%，表明截面高度設計參數愈大，可稍微抑制柵墩Z向位移發展。

圖6 不同截面高度下位移變化特征

3.2 縱梁截面寬度

針對縱梁截面體型寬度設計，設定各方案截面高度均為2 m，截面寬度分別為0.5 m(1#方案)、1 m(2#方案)、1.5 m(3#方案)、2 m(4#方案)，4個截面體型方案剖面形態見圖7。

圖7 不同截面寬度設計方案(高度均為2 m)

3.2.1 應力特征

圖8為縱梁截面寬度影響下各特征部位最大拉應力變化特征。從圖8中可看出，縱梁最大拉應力在寬度設計參數增大情況下有所遞增，但幅度較小。截面寬度為0.5 m時，最大拉應力為8.3 MPa；而寬度增大至1.5和2 m后，最大拉應力增長幅度分別僅為11.8%和12.1%。腰墻最大拉應力隨截面寬度變化特征與縱梁相類似，其最大拉應力在截面寬度超過1.5 m后增長處于停滯。與縱梁、腰墻有所差異的是柵墩承臺，其最大拉應力隨截面寬度設計參數遞減。在寬度為0.5 m時的柵墩承臺最大拉應力為9 MPa；而寬度增大至1.5和2 m后，最大拉應力相比前者分別降低6.6%和9.8%。由此表明，截面設計寬度參數增大會抑制其最大拉應力的發展態勢，即縱梁截面寬度設計參數在1.5 m以下具有較好抑制閘墩張拉破壞。

圖8 不同截面寬度下最大拉應力變化特征

3.2.2 變形特征

經仿真計算各設計方案下縱梁變形狀態，獲得閘墩各方向位移值隨縱梁截面寬度參數變化曲線，見圖9。從整體來看，柵墩X、Y、Z向位移隨截面寬度設計參數幾乎無較大變化，且X向位移與Y向位移基本接近一致，兩者位移值均在14 mm左右；Z向位移相比X、Y向位移均較小，在截面寬度1 m時，Z向位移僅為X向位移的28.6%。分析認為，截面寬度設計參數過大或過小，并不影響柵墩各向位移的穩定。

圖9 不同截面寬度下位移變化特征

4 縱梁截面體型綜合設計方案分析

前文均是在縱梁截面單一設計參數變量條件下研究閘墩應力變形變化特征，而針對綜合尺寸影響特性研究較少。本文基于縱梁截面體型高度設計參數不低于寬度這一準則，共設計出10個研究方案，即高、寬分別設計為2 m×2 m(a方案)、2 m×1.5 m(b方案)、2 m×1 m(c方案)、2 m×0.5 m(d方案)、1.5 m×1.5 m(e方案)、1.5 m×1 m(f方案)、1.5 m×0.5 m(g方案)、1 m×1 m(h方案)、1 m×0.5 m(i方案)、0.5 m×0.5 m(j方案)，典型設計方案截面體型見圖10。

圖10 典型設計方案截面體型示意圖

4.1 綜合設計方案應力變形特征

圖11為計算獲得各設計方案下最大拉應力、柵墩位移變化特征。從圖11(a)可看出，縱梁截面體型所占面積愈大，則縱梁拉應力愈大，a、b兩方案縱梁拉應力最大可達9.2 MPa，e方案縱梁拉應力達9 MPa，當截面體型設計參數為j方案時，其最大拉應力相比a方案降低23.9%，即截面體型面積不應過大，應保持在0.25 m2以下。柵墩承臺最大拉應力基本隨截面積增大而遞減，在截面高、寬均為2 m時，柵墩承臺最大拉應力為9.1 MPa，而截面高、寬分別為i、j方案后，其最大拉應力相比a方案分別降低17.6%和19.8%。腰墻最大拉應力最大不超過3.1 MPa，但當截面高、寬均低于1.5 m后，腰墻最大拉應力均低于3 MPa，i、j方案腰墻最大拉應力分別為2和2.2 MPa。

另一方面從柵墩各向位移特征來看，X向位移基本隨截面體型變化穩定在14 mm左右；Y向位移亦是如此，長期穩定在13.8 mm左右；Z向位移相比X、Y向位移均較小，其在各設計方案中整體稍有增大，但增幅較小。j方案位移值為4.41 mm，相比a方案Z向位移增大14%。

4.2 綜合設計方案比選

綜合各設計方案及截面高度、寬度影響因素，本文認為截面高度、寬度均為0.5 m時，不論是動力響應下的最大拉應力亦或是位移特征，均處于較安全狀態，圖12、圖13即為該方案下各特征部位應力分布、位移響應特征。由應力分布云圖可看出，閘墩橫縱梁上最大拉應力分布區域并不較多，最大拉應力所處區域并不影響閘墩橫縱梁整體安全抗震設計；而腰墻上最大拉應力僅為2.3 MPa，分布在墻邊緣側，分布范圍亦較小。柵墩各向動力響應位移亦較小，特別是Z向沉降位移無顯著聚集性分布帶，因而選擇j方案最為合理。

圖11 綜合因素設計方案下動力響應特征

圖12 各特征部位應力分布特征

圖13 各特征部位位移響應特征

5 結 論

1) 縱梁最大拉應力與截面高度參數為正相關關系；但柵墩承臺最大拉應力與截面高度并無顯著關聯性，各截面高度下均穩定在9 MPa；腰墻上最大拉應力相比前兩者均較小，在截面高度1 m后隨高度參數逐漸增大。

2) 柵墩X、Y向位移與截面高度參數并無顯著關聯性，分別穩定在14和13.7 mm；Z向位移隨截面高度增大而遞減，但降低幅度較小，截面高度為1.5和2 m時的位移值相比高度0.5 m分別降低6.8%和9.1%。

3) 縱梁與腰墻上的最大拉應力均隨截面寬度參數增大而稍有增幅，在寬度1.5 m后增長停滯；柵墩承臺最大拉應力隨截面寬度設計參數增大而遞減，寬度1.5和2 m時最大拉應力相比寬度0.5 m時分別降低6.6%、9.8%。

4) 柵墩X、Y、Z向位移隨截面寬度設計參數幾乎無較大變化，X、Y向位移均穩定在14 mm；Z向位移隨寬度參數增大而稍有降低，在寬度2 m時位移相比寬度0.5 m時降低4.6%。

5) 綜合截面體型設計參數研究得到，截面積愈大，縱梁拉應力愈大，柵墩承臺最大拉應力隨截面積增大而遞減，腰墻最大拉應力最大不超過3.1 MPa；柵墩X、Y向位移基本不變，分別穩定在14和13.8 mm，Z向位移稍有增大，最大增幅僅為14%；綜合各設計參數影響因素確定截面高度、寬度均為0.5 m時，閘墩抗震性能最佳。