水電站廠房不同支座方案耗能減震分析

孔家夢

（華北水利水電大學土木與交通學院，河南 鄭州 450045）

0 引言

從大量地震震后調查結果來看，地震對水電站廠房的影響主要是上部結構，水電站廠房上部結構主要是鋼筋混凝土梁、柱、墻構成的框架結構，相對于下部結構而言較單薄。張漢云等［1］以某水電站地面廠房為例，研究了廠房上部結構在地震中的鞭梢效應，分別建立了整體模型、下部模型和上部模型。結果表明：上下部結構連接的位置可能出現較大的動應力，是上部結構的抗震薄弱部位。馬濤等［2］對某引水式半地面水電站廠房不同網架結構型式進行靜力和動力分析并進行比較，結果表明：對于大跨度的水電站廠房結構，從受力方面考慮，推薦使用輕質網架結構屋頂型式。

郝軍剛等［3］利用ABAQUS 研究罕遇地震作用下廠房結構的破壞模式，發現屋頂網架抗震性能相對于混凝土結構較差，在罕遇地震下其動應力非常突出，存在垮塌的風險，水電站廠房的抗震設計中應該充分重視屋頂網架與上下游墻、柱的連接方式。水電站廠房屋頂網架支座是連接屋頂網架結構和下部墻柱結構的重要構件，且屋頂網架支座承擔著將屋頂荷載傳遞給支座下部墻柱結構的作用。雖然支座在整個水電站廠房結構實際工程造價中所占的比例較小，但是不同的支座型式由于約束條件的差異使得屋架對墻柱產生的水平推拉力不盡相同，從而直接影響墻柱的結構設計，也在一定程度上影響結構的安全性，故研究網架結構與上下游之間的連接是非常必要的。

黑燦等［4］運用ANSYS 軟件建立了5種模擬網架結構有限元模型，計算了廠房的自振特性和機組振動荷載作用下的響應，結果表明：網架與下部支承結構簡支連接比鉸支連接的抗震性能更好。郭鴻儒［5］通過對某一工程實例水電站廠房端部進行研究，對比網架與上部結構之間設置鉸支座和橡膠支座兩種方案，并進行動力分析，但其沒有考慮廠房基礎整體作用及雙向地震的影響。陳鵬等［6］以桑河二級水電站工程為例，采用ANSYS 有限元軟件，對固定鉸接支座與橡膠支座進行了靜力荷載分析，但沒有考慮地震的影響。景月嶺等［7］建立壩后式水電站廠房模型，通過對比在地震作用下連接水電站廠房頂的空間網架和下部結構時帶錨栓的板式橡膠支座、鉛芯橡膠支座和鉸支座3 個方案對廠房上部結構的減震影響，結果表明：鉛芯橡膠支座的減震效果最好。

本研究以某岸邊式水電站廠房為例，建立廠房-地基整體模型，對比分析在雙向地震波的作用下鉸支座、鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座對廠房排架柱的耗能減震影響。

1 工程概況及有限元模型

某水電站地面廠房順河向長39 m，單個機組段寬18 m，高38.4 m。以一個中間標準機組段為研究對象建立整體有限元模型，模型包括廠房和地基，基巖范圍由廠房向上、下游側及深度方向各取一倍的廠房高度，具體如圖1 所示。整體坐標系選取x方向為橫河向，y方向為順河向，z方向為豎直向。在計算范圍內，對主廠房上下游排架柱、機墩、蝸殼以及尾水管外圍混凝土等均按實際尺寸進行模擬，網架采用梁單元模擬，混凝土和墊層采用實體單元，機組重量采用質量單元模擬在相應位置。

圖1 廠房有限元模型

1.1 支座的模擬

鉸接支座一般采用節點耦合的方式實現。鉛芯橡膠支座水平向采用combin40單元模擬，豎向采用combin14 單元模擬。高阻尼橡膠支座水平向采用combin39 單元模擬，豎向采用combin14 單元模擬。

1.2 地震波的生成

本廠房所處位置位于設防烈度8 度區，地震動峰值加速度為0.2g。根據《水工建筑物抗震設計標準》（GB 51247—2018）［8］中的規定選取標準反應譜。考慮到目前在結構抗震設計中核算截面強度時采用的設計地震系數都為設計烈度對應值的35%，即為0.07g。本研究計算時在順河向和豎向施加地震作用，邊界條件為底邊固定，四周法向約束。地震波加速度時程如圖2所示。

圖2 地震波加速度時程

2 自振頻率分析

按不同的支座型式構成三種有限元模型，經過模態分析得到其前10階自振頻率，如表1所示。

表1 三種方案自振頻率對比

由表1 中數據對比可以看出，當采用鉛芯橡膠支座時，廠房結構自振頻率平均比鉸接支座低24.1%；當采用高阻尼橡膠支座時，廠房自振頻率平均比鉸支座低29.8%。比較鉛芯橡膠支座方案和高阻尼橡膠支座方案可以得出，兩種方案下廠房上部結構固有頻率差別很小，高阻尼橡膠支座方案僅比鉛芯橡膠支座方案平均低8.3%。從模態分析來看，設置橡膠支座以后，結構的各階頻率整體上呈降低趨勢，自振周期延長，在地震作用下對結構起到一定的保護作用。

3 位移、應力分析

3.1 位移分析

在雙向地震中，y向的位移最大，故只對比分析y向三種方案的時程位移及柱頂柱底第一主拉應力。取上、下游柱的柱頂、柱底以及網架中間節點進行對比分析。由于柱頂是位移最大的地方，且各節點時程位移曲線圖大致趨勢一致，故只展示三種不同支座下其中一個節點的位移時程曲線圖。圖3為三種方案中間柱上游節點的位移時程曲線圖。

圖3（a）為鉸接支座下節點1131 的位移時程曲線圖，可以看出隨著地震波時間的推移，柱頂的位移是逐漸增大的，最大達到36.4 mm。這是因為鉸接支座下無論是水平剛度還是豎向剛度都是最大的，這導致其在地震作用下吸能耗能效果差。圖3（b）與圖3（c）分別為鉛芯橡膠支座和高阻尼橡膠支座下節點1131 的位移時程曲線圖，可以看出，鉛芯橡膠支座下位移大部分位于-8～8 mm，高阻尼橡膠支座下位移大部分位于-10～10 mm，最大位移分別為20.9 mm和21.6 mm。

對于上游節點與網架節點來說，鉸支座的位移明顯大于其他兩個橡膠支座的位移。由圖3 可得，采用鉛芯橡膠支座的最大動位移比鉸接支座的最大動位移小42.6%，采用高阻尼橡膠支座的最大動位移比鉸接支座的最大動位移小42.6%。而對于下游節點，從整體來看，橡膠支座的位移時程變化優于鉸接支座，但是從最大動位移來看，橡膠支座的最大動位移要稍高于鉸接支座。故上游采用橡膠支座效果好，其中鉛芯橡膠支座最大動位移小于高阻尼橡膠支座，下游采用橡膠支座效果不太明顯。綜合以上結論可得，采用鉛芯橡膠支座效果最好。

圖3 上游中間節點1331位移時程曲線

3.2 應力分析

圖4為上下游柱頂以及柱底各節點的最大第一主拉應力。圖4（a）為柱頂節點的第一主拉應力峰值圖，由圖4（a）可知，鉸接支座下節點的第一主拉應力峰值均超過1 MPa，而采用橡膠支座后節點的第一主拉應力峰值都不超過0.4 MPa。由此可得，對于柱頂節點，采用橡膠支座可大大降低第一主拉應力峰值。圖4（b）為柱底節點的第一主拉應力峰值圖，對于上游柱底節點來說，三種方案下的第一主拉應力峰值相差不大，鉛芯橡膠支座方案下的第一主拉應力峰值是最小的。而對于下游節點，橡膠支座方案的第一主拉應力峰值高于鉸支座方案，其中節點4785 的高阻尼橡膠支座方案比鉸接支座方案高89%。這是因為下游柱底與副廠房相連導致應力增大。由圖4可得，除了下游側柱底外，鉛芯橡膠支座方案排架柱的其余部位均是最安全的。從各支座方案對比綜合考慮，鉛芯橡膠支座效果最好。

圖4 上下游柱各節點第一主拉應力

4 結語

應用有限元軟件ANSYS 對岸邊式水電站廠房鉸接支座、鉛芯橡膠支座以及高阻尼橡膠支座進行模擬，對比不同支座型式下結構的自振特性和結構的受力、變形。結果表明，在地震作用下采用鉸支座響應最大，采用鉛芯橡膠支座可以有效降低鋼網架對柱產生的水平推拉力和柱頂變位值，但對下游柱底第一主拉應力作用不太明顯。這主要是由于廠房結構的自身特點造成的。綜合考慮，鉛芯橡膠支座的耗能減震效果最好。