某高地震區、大跨度輸水跨河渡槽共振特性研究

李 偉

(新疆水利水電勘察設計研究院，烏魯木齊 830000)

0 引 言

地震是一種巨大的自然災害，在我國南水北調工程中，東、中和西3 線均有規劃通過峰值加速度0.2 g以上的高地震烈度區。隨著水利工程快速發展，越來越多的大型水工建筑物不可避免地修建在地震多發區[1]。大跨度渡槽由于槽體內存在大量水體，槽墩或排架上部結構重量將遠大于一般橋梁上部結構重量，形成“頭重”、“腳輕”、“身柔”的特點[2]，因此渡槽結構頂部的大質量水體對結構抗震十分不利。在地震作用下，水與槽體之間的動力相互作用會使渡槽結構產生劇烈的振動[3]，當場地固有頻率與結構振動頻率一致時就會發生共振，從而加速結構發生破壞[4]。一般多采用Housner 水體模型簡化處理[1]，Housner借助于流體力學的勢流理論及單寬矩形截面儲液槽運動時液體運動的物理直觀現象，提出采用彈簧質量系統來近似計算復雜的運動液體對固體產生的脈沖壓力和對流壓力，該模型簡單易行，被廣泛應用。因此，本文通過Housner模型進行等效模擬槽內水體[4]。

1 工程概況

工程位于新疆疏附縣某南干渠跨河處，為新疆喀什噶爾灌區續建配套與節水改造工程的一部分。渡槽建筑物級別為3級，工程區地震基本烈度為Ⅷ度，主要建筑物抗震設計烈度為Ⅷ度，地震動峰值加速度為0.3 g。本工程基礎洪水標準按30年一遇(P=3.33%)設計，100年一遇(P=1%)校核，導流標準為P=10%～20%。根據灌區需要，渡槽設計過流流量87.0 m3/s，加大過流流量為100.0 m3/s，采用兩孔矩形斷面，單孔寬5.5 m，i=1/550，設計槽底以上水深2.18 m，加大流量槽底以上水深為2.63 m，槽身采用全封閉結構，槽內水面以上凈空取0.4 m。渡槽總長度740 m，兩邊跨均為10 m，24中跨均為30 m，共計26跨，采用鉛芯橡膠支座隔震減震，每跨兩端分別設置4只鉛芯隔震橡膠支座，槽身底板中部附近布置2只，兩側墻底部各1只。主要由進口漸變段、連接段、槽身段、渡槽下部排架柱結構、渡槽基礎、出口漸變段及消力池等建筑物組成。渡槽三維視圖見圖1。

圖1 跨河渡槽三維視圖

本渡槽地處高地震烈度區，且具有跨度大、過流量大的特點，結構設計應充分考慮地震作用下，槽身和水體共同振動時帶來的危害[5]。因此，研究渡槽在不同工況地震作用下的共振特性顯得尤為重要。

2 計算模型

2.1 模型簡介

根據渡槽結構設計，采用簡支梁結構，各跨渡槽之間采用柔性連接，為簡化模型，取兩跨典型斷面進行ANSYS有限元計算。混凝土采用SOLID65體單元建模，鉛芯橡膠支座采用Combine14單元建模。渡槽支座的等效水平剛度2.6e6 N/m，阻尼比0.193；豎向等效剛度2.06e9 N/m，阻尼比0.05。分析模型取30 m跨度、排架高度10.7 m的兩跨結構進行地震荷載作用下的時程響應計算分析，其有限元網格模型見圖2。

圖2 渡槽有限元網格模型

2.2 地震設計反應譜及地震加速度時程曲線

根據1/400萬《中國地震動參數區劃圖》(GB18306-2015)，工程區50年超越概率10%的地震動峰值加速度為0.3 g，相應的地震基本烈度為Ⅷ度。根據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NB35047-2015)，場地特征周期為0.45 s，采用時程分析法計算地震作用效應時，阻尼比取為5%，標準設計反應譜最大值的代表值βmax取為2.50。

地震加速度時程曲線通過標準設計反應譜合成，阻尼比取0.05，超越概率為10%，峰值加速度為0.3 g，時長為30 s，共生成3條加速度時程曲線，3組加速度向量之間相關系數均小于0.1。地震設計反應譜見圖3，加速度時程曲線見圖4。

圖3 標準設計反應譜

圖4 人工地震波加速度時程曲線

3 共振特性計算

主要對渡槽結構在完建期、最高水位和設計水位3種工況下的共振特性進行分析計算。

3.1 完建期渡槽有限元共振特性分析

完建期渡槽內無水，僅按空渡槽有限元模態計算，得到結構體系的動力特性，取結構體系前3階自振頻率，計算結果見表1。

表1 空槽結構體系前3階自振頻率計算結果 /Hz

整個體系的基本頻率是0.556 Hz，模態振型為順槽向剛體模態；體系的第2階頻率為0.628 Hz，模態是橫槽向剛體模態。根據《水電工程水工建筑物抗震設計規范》(NB35047-2015)，場地特征周期為0.45 s，該體系的基本周期、2階周期分別為1.798和1.592 s。特征周期分別是基本周期、2階周期的0.25倍和0.28倍，不在0.75～1.25共振區范圍內，不會發生共振。

3.2 最高水位渡槽有限元共振特性分析

渡槽最高水位時，結構+水體體系的振動特性采用Housner模型模擬水體，最高設計水位為2.63 m，采用一階振動等效模擬，計算參數見表2，槽內水體等效機械模型見圖5。

表2 最高水位下單位長度水體等效參數

圖5 槽內水體等效機械模型

根據最高水位下渡槽有限元模態計算分析，得到結構體系的動力特性，由于水體等效模型的低階模態影響，計算結構體系整體前3階自振頻率計算結果見表3。

最高水位時整個體系的基本頻率是0.411 Hz，模態振型為橫槽向剛體模態；體系的第2階頻率為0.556 Hz，模態是順槽向剛體模態。可以看出，槽內水體附加質量的影響對橫槽向模態影響較大，對順槽向附加質量的影響較小，使得附加水體質量后，一階模態為橫槽向剛體模態。由于順槽向振動時，槽內水體慣性質量對槽體的影響較小，計算結論與實際較為吻合。

表3 最高水位下槽結構體系前3階自振頻率計算結果 /Hz

建筑場地特征周期為0.45 s，該體系的基本周期、2階周期分別為2.43 s和1.80 s。特征周期分別是最高水位時整體基本周期、2階周期的0.18倍和0.25倍，不在0.75～1.25共振區范圍內，不會發生共振。

3.3 設計運行水位渡槽有限元共振特性分析

渡槽設計運行水位時，結構+水體體系的振動特性采用Housner模型模擬水體，設計運行水位為2.47 m，采用一階振動等效模擬，計算參數見表4。

表4 設計運行水位下單位長度水體等效參數

根據設計運行水位下渡槽有限元模態計算分析，得到結構體系的動力特性，由于水體等效模型的低階模態影響，計算結構體系整體前3階自振頻率，計算結果見表5。

表5 設計運行水位下槽結構體系前3階自振頻率計算結果 /Hz

設計運行水位時整個體系的基本頻率是0.412 Hz，模態振型為橫槽向剛體模態；體系的第2階頻率為0.556 Hz，模態是順槽向剛體模態。建筑場地特征周期為0.45 s，該體系的基本周期、2階周期分別為2.43和1.80 s。特征周期分別是最高水位時整體基本周期、2階周期的0.18倍和0.25倍，不在0.75～1.25共振區范圍內，不會發生共振。

4 結 論

在高地震烈度區，具有大跨度、大過流量的渡槽應在結構設計時考慮地震作用下，槽身和水體共同振動時帶來的危害。本文依據Housner理論，通過有限元軟件建立渡槽結構三維模型，分析不同工況下渡槽整個體系的自振周期，避免與場地特征周期接近引發共振，對類似工程結構設計具有借鑒意義。