基于反應譜法的岸塔式進水塔抗震穩定性分析

劉 浩

(臨沂市羅莊區水務局，山東 臨沂 276017)

1 概 述

進水塔作為水利樞紐的一個重要組成部分，其安全穩定有著重要意義。由于我國西南部地區地形復雜且處于地震多發帶，結構抗震問題突出。進水塔一旦受到震動破壞將嚴重影響水電站的正常運行和經濟效益，因此對進水塔進行結構抗震計算十分必要。如張漢云等[1]對比研究了新老標準規范譜特性變化對進水塔增量動力分析結果的影響；程漢昆[2]采用有限單元法分析了某岸塔式進水塔在設計地震及校核地震作用下的動力響應；趙曉紅等[3]基于有限元軟件ANSYS對某高聳進水塔在地震作用下的穩定性進行了研究；王俊等[4]基于有限元軟件ANSYS對古水水電站進水塔在靜動力作用下的位移和應力結果進行了分析；劉云賀等[5]對比研究了黏彈性邊界與無質量地基情況下的某高聳進水塔動力響應結果；柳樹搖等[6]基于有限元法得到拉拉山水電站進水塔在地震作用下的動位移和動應力結果。本文采用大型有限元軟件ABAQUS，建立某岸塔式進水塔三維有限元模型，基于反應譜法分析該進水塔在給定地震荷載下的應力分布規律，并提出相應的加固處理措施。

2 計算模型

某水電站采用的是岸塔式進水口。進水口底板高程為2 794.00 m，塔頂高程為2 902.00 m。塔高108.00 m，單個順水流方向長度為34.58 m，垂直于水流方向寬度為31.40 m。塔背與山體之間有回填混凝土，回填混凝土高程為2 818.00～2 857.00 m，回填高度為39.00 m。

2.1 坐標系的說明

圖1中，取左側進水塔左邊墩的左側外表面、迎水面以及底板上表面三面的交點作為坐標原點。X軸為豎直方向，向上為正；Y軸為沿水平方向且垂直于水流方向，向右為正；Z軸為水平方向，順水流方向，指向下游為正。

圖1 水電站進水塔三維有限元模型

2.2 計算范圍

塔體部分：下部邊界取至底板下表面，高程為2 788 m；上部邊界取至塔頂蓋板，高程為2 902 m；計算總模擬高度為114 m。

地基部分：向上游延伸107 m，向下游延伸158 m，左右兩側分別取塔體的5倍單寬，地基深度為278 m。

2.3 網格劃分

本次計算采用ABAQUS的C3D8八節點六面體實體單元，計算模型共有61 969個單元，79 065個節點。

2.4 邊界條件

地基的四周表面采用法向約束，地基的下表面進行全約束。

進水塔及地基的整體三維有限元模型見圖1，計算采用的材料參數見表1。

表1 材料力學性能表

3 反應譜曲線的確定

設計反應譜根據場地類別，按照《水工建筑物抗震設計規范》(NB 35047-2015)中要求βmax=2.25，Tg=0.30 s，水平向峰值加速度αmax=0.2 g，阻尼比為0.05生成標準反應譜，見圖2。

4 動力響應計算結果分析

在正常蓄水位的情況下，動水壓力以附加質量的形式進行處理。在各階振型的地震作用效應組合有絕對值法(SUM=ABS)、完全二次型方根法(SUM=CQC)、平方和根法(SUM=SRSS)，本文采用平方和方根法(SUM=SRSS)。進水塔進行水平的Y向和Z向以及豎向的X向地震激勵，也要進行方向上的效應組合。組合方法有代數和法(COMP=ALGEBRAIC)和平方和方根法(SUM=SRSS)。如果采用代數和法，首先進行方向作用效應組合，然后進行模態疊加；如果采用平方和方根法，首先進行模態疊加，再進行方向作用效應的組合。本文中，各階振型地震作用效應采用平方和方根法(SUM=SRSS)組合，各方向上地震作用效應分別采用了代數和法(COMP=ALGEBRAIC)和平方和方根法(SUM=SRSS)。兩種方法進行比較，并得出相應的結論。

4.1 代數和法動力計算結果分析

1) 主應力包絡分布圖見圖3。在主應力包絡圖中可以看出，最大拉應力出現在塔體的回填混凝土頂部高程位置最大值為2.337 MPa。最大壓應力出現在底板底部，最大值為2.458 MPa。

圖3 主應力包絡圖(代數和法)

2) 豎直(X)方向應力分布見圖4。在X向激振作用下，進水塔的結構應力主要出現在塔身與回填混凝土頂部相連接的地方，其最大值為2.462 MPa。并且隨著高度的上升和下降，拉應力值逐漸減小；到進水塔頂中上部以及底板的時候，拉應力轉變為壓應力，其最大值為0.230 MPa。

圖4 X向應力包絡圖(代數和法)

3) 垂直于水流(Y)方向應力分布見圖5。Y向激振作用下，進水塔結構應力主要出現在中墩與連系梁相連的位置以及連系梁上，拉應力最大值為0.905 8 MPa。這是因為整體結構自振時，中墩與塔體后部剛度特性不一致，相較起來比較小，中墩擺動幅度較大，塔體變形幅度小，中墩變形幅度較大。而中墩與塔體之間有連系梁相連以此來協調變位，使得連系梁上應力比較大。

圖5 Y向應力包絡圖(代數和法)

4) 順水流(Z)方向應力分布見圖6。在Z向激振的作用下，進水塔的應力主要集中在進水塔背部高程2 857 m位置(即回填混凝土頂部高程位置)。最大拉應力為1.572 MPa，其余部位表現為受壓。主要是因為塔體背后回填混凝土的剛度與塔身剛度相差較大，回填混凝土振幅較大，導致該部位應力較大。同時，在塔頂處塔的前后兩部分連接的地方也出現了較大的拉應力。

圖6 Z向應力包絡圖(代數和法)

4.2 平方和方根法動力計算結果分析

1) 主應力包絡圖分布見圖7。在圖7中可以看出，在各方向上分別采用平方和方根法(SUM=SRSS)組合的情況下，最大的應力值也是出現在塔體的底板與其上部連接的位置，其值為2.317 MPa。

圖7 主應力包絡圖(平方和方根法)

2) 豎直(X)方向應力分布見圖8。其最大值為2.406 MPa，也是出現在塔體的底板與其上部連接的位置。并且隨著高度的上升，拉應力值逐漸減小；到進水塔頂中上部的時候，拉應力轉變為壓應力，其最大值為0.211 9 MPa。

圖8 X向應力包絡圖(平方和方根法)

3) 垂直于水流(Y)方向應力分布見圖9。Y向激振作用下，進水塔結構應力主要出現在中墩與橫向連系梁相連的位置以及橫向連系梁上，拉應力最大值為0.948 8 MPa。邊墩以及其他部位表現為壓應力，最大值為1.818 MPa。這是因為整體結構自振時，中墩與塔體后部剛度特性不一致，相較起來比較小，中墩擺動幅度較大，塔體變形幅度小，中墩變形幅度較大。而中墩與塔體之間有連系梁相連以此來協調變位，使得連系梁上應力比較大。

圖9 Y向應力包絡圖(平方和方根法)

4) 順水流(Z)方向應力分布見圖10。在Z向激振的作用下，進水塔的應力主要集中在縱向連系梁上即中墩與塔身后方相連接的連系梁。最大拉應力為1.567 MPa，其余部位表現為受壓。主要是因為塔體中墩與塔體后部在順水流方向變形大小不一致，中墩的剛度較小，變形量較大；進水塔后部剛度較大，變形較小，因此縱向連系梁上會出現拉應力較大。

圖10 Z向應力包絡圖(平方和方根法)

從以上分析結果可以看出，SRSS/ALGEBRAIC與SRSS/SRSS的結果幾乎相差無幾，由此驗證了計算結果的準確性與合理性。

5 結 論

本文主要基于反應譜法對某水電站進水塔進行了動力穩定性分析，主要結論如下：

1) 進水塔回填混凝土高程位置出現了最大值為2.337 MPa的拉應力。建議選取合適的回填高程，并加強回填高程附近的配筋。

2) 底部、縱向連系梁、橫連系梁應力比較大，塔體部位應力較小。在設計過程中，建議增強連系梁的配筋。