考慮結構與加錨巖體聯合受力的船閘閘首抗震性能研究

熊夢琪,李亞軍,陳小虎,張漢云,蔣 才

(1.河海大學水利水電學院,江蘇 南京 210098; 2.三峽水力發電廠,湖北 宜昌 443133; 3.長江勘測規劃設計研究有限責任公司,湖北 武漢 430019)

現階段,對于水工建筑物抗震性能的研究主要集中在大壩等擋水建筑物上,針對通航建筑物抗震性能的研究不多[1-3]。通航建筑物是水利樞紐的重要組成部分,船閘作為過壩通航建筑物的主要形式之一,對其抗震性能的研究應該受到高度重視。船閘閘首既是樞紐擋水建筑物,又是通航閘首,也是船閘應力、變形和穩定控制的關鍵部位,閘首的抗震性能對整個水利樞紐的正常運行和抗震安全至關重要。

近年來,國內外學者圍繞船閘抗震性能開展了研究。例如：Kontoe等[4]采用子結構技術建立船閘結構-場地二維平面應變有限元模型,對船閘體系的地震響應進行了探討分析;陜亮等[5]以三峽永久船閘混合式閘室墻為研究對象,采用三維有限元法對接觸問題進行了非線性仿真計算,探討了襯砌墻和重力墻之間是否設置水平分縫的問題,并分析了設置過縫鋼筋的利弊;蘇超等[6]建立了閘首-地基三維有限元模型,考慮地基材料的非線性特點,地基模型采用鄧肯-張E-B模型,使用ABAQUS軟件分析了運行工況下閘首的應力分布規律及變形特點;崔春義等[7]研究了船閘閘室體系動力受力變形特性,分析了地震作用下船閘閘室結構-地基相互作用體系的動力響應特性,結果表明,船閘結構滿足抗震規范要求;丁天平等[8]針對新夏港船閘,采用黏彈性邊界和動力接觸模型,研究了地震作用下錯位布置閘首接觸非線性對閘首結構應力及變形的影響,為工程的安全運行提供了依據。這些研究成果為船閘工程的抗震設計提供了有益參考,但較少考慮地震作用下結構-錨桿-基巖間的動力相互作用。由于閘首是緊貼巖體修建的混凝土結構,二者為不同材料間的接觸,其間存在一個接觸面,地震作用下接觸面的接觸狀態會影響閘首結構和錨桿的受力和變形[9]。

本文以某雙線五級船閘的第一級閘首為研究對象,在ADINA有限元軟件中建立庫水-結構-錨桿-基巖動力相互作用的三維整體有限元模型,基于約束函數的非線性接觸單元模擬閘首結構中的各類接觸問題,采用動力時程分析方法分析地震作用下閘首結構的動力響應、錨桿受力的分布規律以及不同接觸面的接觸狀態,以期綜合評價該船閘閘首的抗震安全性。

1 理論和方法

1.1 接觸非線性分析理論

地震荷載作用下,不同材料間的開合及滑移現象是一種復雜的非線性行為,為接觸非線性問題。本文采用接觸約束函數算法,引入約束函數來描述接觸面之間的法向和切向的接觸約束條件[10]。

法向約束函數w(g,λ)為

(1)

式中：g為接觸面間的法向間距;λ為接觸面間的法向接觸力;εN為一個極小的常數。若g=0且λ>0,接觸面閉合;若g>0且λ=0,接觸面張開。εN的作用是使法向接觸條件的數學表示更加平滑,有利于計算收斂。

(2)

1.2 錨桿的模擬方法

采用Truss單元模擬錨桿。在計算中自動將錨桿的軸線與3D-solid單元相關聯,如圖1所示。對于每一根模擬錨桿的線,程序都會搜索到它與3D-solid單元邊界的交叉點,在此交叉點處生成Truss單元的節點。然后通過在Truss單元節點與3D-solid單元節點之間建立約束方程的形式模擬錨桿對基巖和結構的加強作用。

圖1 錨桿的模擬

2 有限元模型與計算工況

2.1 有限元模型

某船閘為雙線五級船閘,閘首為1級建筑物,閘首和閘室均建在山體深切開挖形成的巖石深槽中,兩線船閘平行布置[11]。閘首為重力式結構,高59m,順流向長70m,垂直流向單線寬74m。有限元建模時,基巖模擬范圍為豎直向向下取1.5倍閘首高度,即89m;上下游自閘首各延伸3倍閘首高度[12],即177m;左右岸自閘室外側分別向兩側延伸3倍單線閘室寬度,即102m,整體有限元模型范圍為424m×372m×155m。閘首、擋水壩、基巖、回填土與回填混凝土均采用3D-solid單元模擬,庫水采用3D-fluid單元模擬,錨桿采用Truss單元模擬。圖2為結構、錨桿的剖面布置圖,基巖與閘首邊墩間共布置了3332根錨桿,直徑均為40mm,其抗拉強度值為1000MPa。

圖2 結構、錨桿剖面布置圖(高程單位：m;錨桿直徑單位：mm;其他尺寸單位：cm)

模型底部施加固定約束,四周采用法向鏈桿約束。庫水與結構的交界面設為流固耦合界面,庫水表面設為自由液面邊界,庫水其他臨空面設為無限遠邊界,擋水閘門處設置壁面邊界。船閘閘首的結構布置如圖3所示,整體三維有限元網格模型如圖4所示。圖中x方向為順水流方向指向上游,y方向為垂直流向,指向右岸,z方向為豎直向上。整體有限元模型節點總數為89814,單元總數為77909。

圖3 船閘閘首結構布置

圖4 有限元模型(單位：m)

船閘各部位材料參數見表1,庫水密度為1000kg/m3,不考慮庫水的可壓縮性。根據GB 51247—2018《水工建筑物抗震設計標準》,在動力時程分析中結構阻尼比取0.07。

表1 材料參數取值

閘首邊墩與基巖、回填混凝土、回填土的交界面,邊墩與底板間的結構縫,邊墩與擋水壩間的結構縫均采用接觸單元模擬,其中邊墩與底板間的結構縫考慮了10mm縫寬,不同接觸單元組見圖5。

圖5 不同接觸單元組示意圖

2.2 計算工況與荷載

根據JTJ 307—2001《船閘水工建筑物設計規范》和船閘的實際運行情況,選取正常運行工況遇地震的情況進行靜動綜合分析。該工況下兩閘線均采用人字門擋水,上游水深44m,下游水深21.4m,計算時考慮了結構自重、人字門自重、墻后滲透壓力、土壓力、水壓力、揚壓力、人字門頂樞推拉桿拉力及地震荷載。

該工程抗震設防類別為甲類,水平向設計地震動峰值加速度按100年2%超越概率取值為110cm/s2,豎向地震動峰值加速度為水平向的2/3,各向加速度時程曲線如圖6所示。動力時程分析中,采用無質量地基,同時輸入3個方向的加速度時程,地震持時12s,計算時間步長0.02s。計算時考慮靜動綜合作用,即在靜力分析的基礎上,采用重啟動進行非線性動力時程分析。

圖6 各向地震加速度時程曲線

3 結果與分析

3.1 結構動力響應

南、北線船閘的各方向靜動綜合位移最大值分布規律基本相同,垂直流向位移大于順流向位移。其中北邊墩和中北邊墩、南邊墩和中南邊墩的垂直流向靜動綜合位移絕對值的最大值呈對稱分布,如圖7所示,各邊墩均向航槽側變形,位移沿高度方向遞增,位移絕對值的最大值的極值出現在中北邊墩上游航槽側頂部,為-3.2mm。

圖7 垂直流向位移絕對值的最大值包絡云圖(單位：mm)

表2列出了運行工況下,各邊墩人字門作用線處沿高程各點與人字門底樞在垂直流向的相對位移極值,表中的正值表示結構在該位置沿y軸正方向產生變形,負值表示結構在該位置沿y軸負方向產生變形。在高程157、165、175m處,中北邊墩和中南邊墩作用線上的相對位移大于南邊墩作用線上的相對位移,北邊墩作用線上各點的相對位移最小。高程157m以上,各邊墩人字門作用線上的相對位移沿高程增加,185m高程處相對位移極值最大,值為1.617mm,小于允許的相對位移值5mm,不會對人字門的運行帶來不利影響。

表2 各邊墩人字門作用線處結構垂直流向相對位移極值

地震作用下,結構的豎直向正應力以壓應力為主,局部出現拉應力,但拉應力水平遠小于壓應力水平。豎直向拉應力最大值的極值出現在北邊墩上游外側,為0.180MPa,壓應力最大值的極值出現在中南邊墩結構縫上游側頂部,為3.383MPa。第一主應力最大值的極值出現在中北邊墩結構縫上游側頂部,為0.566MPa,第三主應力最小值的極值出現在南邊墩上游面外側拐點,為-3.969MPa。閘首基底出現的豎直向拉應力區最大范圍如圖8中紅色區域所示,雙線基底拉應力區最大范圍所占比例均為0.275%,遠小于建基面寬度的0.07倍,且遠離防滲帷幕中心線,滿足應力控制標準。

圖8 雙線基底拉應力區最大范圍(單位：m)

3.2 錨桿應力

地震作用下錨桿軸向應力絕對值的最大值包絡云圖如圖9所示。由圖9可知,錨桿軸向應力多為拉應力,最大值僅發生在局部,位于結構與基巖的接觸面上,絕大多數錨桿的軸向拉應力值小于30MPa。錨桿軸向拉應力隨著高程的增加而增大,由于北邊墩的基巖高程較高,錨桿分布高程也較高,北邊墩上部1/3高程處錨桿的拉應力值為34MPa左右,最大值發生在偏上游側171.95m高程處,為204.4MPa。錨桿強度安全系數為4.89,大于控制值1.65,滿足控制要求。

圖9 錨桿軸向應力絕對值的最大值包絡云圖(單位：MPa)

3.3 接觸面開合狀態

3.3.1邊墩與基巖的接觸狀態

地震作用下,閘線兩側邊墩向船槽內側變形,閘首邊墩與基巖的接觸面會出現往復開合的現象。閘首邊墩與基巖接觸面最大張開度包絡云圖如圖10所示。由圖10可知,地震作用下最大張開度發生在中北邊墩與基巖接觸面的航槽外側頂部,值為0.8mm,除了中北、中南兩個邊墩下游面以及南邊墩頂部有明顯張開外,地震時接觸面其他部分均處于緊貼狀態。

圖10 邊墩與基巖接觸面最大張開度包絡云圖(單位：mm)

圖11為地震過程中閘首中北邊墩與基巖接觸面最大張開度隨高程變化的曲線。由圖11可知,地震作用下高程160m以下的結構與基巖接觸良好,地震作用下仍然保持緊貼狀態,高程160m以上接觸面張開度隨著高程的增加而增大,最大值出現在頂部。為了研究地震過程中接觸面的開合變化,選取張開度最大值點繪制了時程曲線,如圖12所示。從時程曲線來看,地震過程中接觸面是開合往復的,在地震結束時恢復到了震前的緊貼狀態。

圖11 閘首中北邊墩與基巖接觸面最大張開度與高程關系

圖12 邊墩與基巖接觸面張開度最大值點時程曲線

3.3.2邊墩與底板的接觸狀態

地震作用下各邊墩與底板間結構縫最大張開度包絡云圖如圖13所示。由圖13可知,由于10mm結構縫的存在,接觸面基本處于張開的狀態。地震作用下結構縫最大張開度為10.2mm,出現在中南邊墩結構縫上游側頂部角點處。結構縫張開度最大值點時程曲線如圖14所示,在地震持續的過程中結構縫的寬度始終在10mm附近變化,地震結束時,又恢復到了地震前的接觸狀態。

圖13 邊墩與底板間結構縫最大張開度包絡云圖(單位：mm)

圖14 邊墩與底板間結構縫張開度最大值點時程曲線

3.3.3邊墩與擋水壩的接觸狀態

擋水壩與各閘首邊墩的交界面也采用了接觸單元進行模擬,根據計算結果繪制了接觸面的最大張開度包絡云圖,如圖15所示。由圖15可知,地震作用下接觸面最大張開度為1.4mm,出現在中南邊墩與擋水壩接觸面的上游側頂部,張開度沿高度方向遞增,擋水壩與邊墩在中下部接觸良好,地震過程中仍處于緊貼狀態。張開度最大值點的時程曲線如圖16所示,在地震持續的過程中接觸面是開合往復的,在地震結束時,又恢復到了震前的接觸狀態。

圖15 閘首邊墩與擋水壩接觸面最大張開度包絡云圖(單位：mm)

圖16 邊墩與擋水壩接觸面張開度最大值點時程曲線

4 結 論

a.在地震過程中,閘首兩側邊墩向船槽側變形,各邊墩人字門作用線上的相對位移最大值小于5mm,滿足人字門門槽變形控制要求。閘首結構基底拉應力區最大范圍所占比例為0.275%,遠小于建基面寬度的0.07倍,且遠離防滲帷幕中心線,滿足應力控制標準。

b.錨桿軸向拉應力的最大值為204.4MPa,僅發生在局部,且遠小于錨桿的抗拉強度1000MPa;錨桿強度安全系數值大于1.65,滿足控制要求。

c.在地震的持續作用下,閘墩中下部與基巖的接觸面始終處于緊貼的聯合受力狀態;地震結束時,上部接觸面恢復到了震前狀態。

d.設計地震作用下,邊墩與底板之間的間隙在結構縫寬度附近變化,始終保持各自獨立的受力狀態。閘首各邊墩與擋水壩間結構縫上部的最大張開度較小,不會破壞結構縫間的止水結構。

e.在設計地震作用下,該船閘第一閘首的結構變形、結構應力、錨桿受力情況以及接觸面接觸狀態均滿足規范要求,具有良好的抗震性能。