唐 碧 華

0 引 言

岸塔式進(jìn)水口在靜力工況下為平壓結(jié)構(gòu)，整體穩(wěn)定較易滿(mǎn)足要求，結(jié)構(gòu)應(yīng)力也較小，其地震工況基本為結(jié)構(gòu)的控制工況。因?yàn)檫M(jìn)水口塔體剛度相對(duì)較小，抗震性能較差，因此在高地震區(qū)的岸塔式結(jié)構(gòu)，應(yīng)使塔體下部大體積部分盡量貼緊巖體，以便增加塔體的整體剛度，增強(qiáng)抗震性能。在進(jìn)水口基礎(chǔ)及邊坡開(kāi)挖設(shè)計(jì)中，為了減少開(kāi)挖量且便于壓力管道的進(jìn)口成洞，將下半部位的臨時(shí)邊坡常設(shè)計(jì)為垂直開(kāi)挖，但對(duì)于百米級(jí)的高聳塔體來(lái)說(shuō)，邊坡允許的垂直開(kāi)挖高度已不能滿(mǎn)足塔背接觸高度的要求，因此需要后期回填一部分混凝土，但回填高度的確定，對(duì)塔體結(jié)構(gòu)的動(dòng)力響應(yīng)及混凝土工程量影響均較大，目前尚無(wú)相關(guān)規(guī)定，有待進(jìn)一步研究。本文以某岸塔式電站進(jìn)水口為例，采用三維有限元分析方法，針對(duì)塔背回填高度作了敏感性分析，整理了地震工況下各計(jì)算模型的自振特性、整體位移及各關(guān)鍵部位的應(yīng)力值，通過(guò)塔背高度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力應(yīng)變的影響分析，提出了此岸塔式進(jìn)水口結(jié)構(gòu)經(jīng)濟(jì)合理的塔背回填高度。

1 計(jì)算模型

1.1 結(jié)構(gòu)介紹

某岸塔式電站進(jìn)水口，由攔污柵、閘室段和回填混凝土組成。單機(jī)引用流量364.5m3/s，塔體建基面高程1 624m，塔高75m，底板厚4m，單塔橫水流向?qū)挾?3.8m，順?biāo)飨蜷L(zhǎng)度30m。攔污柵段布置一道清污機(jī)槽和兩道攔污柵槽，每個(gè)進(jìn)水口設(shè)5孔攔污柵，柵孔凈寬4m，柵墩寬2.3m，攔污柵孔口尺寸4m×26m(寬×高)，柵槽段總長(zhǎng)7.55m；閘室段設(shè)置一道檢修閘門(mén)和一道快速閘門(mén)，其孔口尺寸分別為7.5m×10.03m(寬×高)、7.5m×9.5m(寬×高)；閘室通氣孔斷面尺寸2.5m×1.5m，通氣孔后與壓力管道采用漸變段相接。

1.2 計(jì)算模型

本文針對(duì)塔背的回填高度作敏感性分析，初擬了三個(gè)不同回填高度，分別建立了三維有限元計(jì)算模型，分析了地震工況下，各模型的自振特性和動(dòng)力響應(yīng)。計(jì)算模型分別為模型HT-1(無(wú)回填混凝土)、模型HT-2(回填一部分)，HT-3(回填到塔頂高程)，各模型塔背回填混凝土情況見(jiàn)表1，模型示意見(jiàn)圖1。

表1 計(jì)算模型說(shuō)明

1.3 三維有限元模型

(1)有限元網(wǎng)格模型。計(jì)算模型包括進(jìn)水塔混凝土結(jié)構(gòu)及周?chē)鷰r石基礎(chǔ)，根據(jù)一般工程經(jīng)驗(yàn)及本工程實(shí)際地質(zhì)條件，基礎(chǔ)選取為進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)長(zhǎng)度并向上游延長(zhǎng)30m 、向下游延長(zhǎng)39m：左右側(cè)各延長(zhǎng)5m；向下延伸73m，向上取至高程1 710.70m。

圖1 模型展示

模型主要采用8節(jié)點(diǎn)六面體等參單元離散，動(dòng)水壓力采用集中質(zhì)量單元模擬，以模型HT-2為例，單元總數(shù)248 432，求解自由度為745 296。根據(jù)結(jié)構(gòu)的特征，在應(yīng)力梯度較大部位局部細(xì)化網(wǎng)格，保證計(jì)算精度，有限元網(wǎng)格見(jiàn)圖2。

圖2 計(jì)算模型網(wǎng)格示意

(2)邊界條件及計(jì)算假定。巖石基礎(chǔ)底邊均視為固定邊界，約束全部位移；基礎(chǔ)上下游及左右兩側(cè)邊按平面應(yīng)變問(wèn)題處理，約束法向位移。

假設(shè)塔體混凝土與基礎(chǔ)共節(jié)點(diǎn)連接，協(xié)調(diào)變形。動(dòng)力分析采用振型分解反應(yīng)譜法，基礎(chǔ)考慮為無(wú)質(zhì)量地基。

(3)材料參數(shù)?；炷两Y(jié)構(gòu)中，攔污柵框架強(qiáng)度等級(jí)為C25，閘室段為C20，塔背回填混凝土為C15。動(dòng)力計(jì)算中大體積混凝土彈性模量較靜力提高30%。

進(jìn)水口塔體基礎(chǔ)大部分置于弱卸荷、弱風(fēng)化下段的花崗巖巖體上，局部位于微新巖體中。巖石總體以Ⅲ類(lèi)為主，局部裂隙密集帶及斷層破碎帶屬Ⅳ類(lèi)，其巖石基礎(chǔ)計(jì)算參數(shù)詳見(jiàn)表2。

表2 巖石基礎(chǔ)計(jì)算參數(shù)取值

工程場(chǎng)地地震基本烈度為Ⅷ度，進(jìn)水口結(jié)構(gòu)為非壅水建筑物，按50年超越概率5%的地震加速度設(shè)計(jì)，即水平向設(shè)計(jì)地震加速度代表值為222gal。

2 分析成果

2.1 自振特性成果

三個(gè)數(shù)值模型的自振頻率成果見(jiàn)表3，可以看出，隨著塔背回填混凝土高度的增加，結(jié)構(gòu)自振頻率逐漸增大，基頻逐次增加比例為52.89%、9.76%，由結(jié)果看出從HT-1到模型HT-2，結(jié)構(gòu)剛度變化明顯，但混凝土結(jié)構(gòu)質(zhì)量增加不多，而從HT-2到模型HT-3，在結(jié)構(gòu)剛度增加的同時(shí)，質(zhì)量也在大幅度增加，因此結(jié)構(gòu)自振頻率增幅不大。各模型條件下，對(duì)高階頻率影響較小。

表3 運(yùn)行期結(jié)構(gòu)前10階自振頻率 Hz

2.2 位移分析成果

各計(jì)算模型下塔體整體位移峰值及出現(xiàn)部位見(jiàn)表4。

表4 塔體整體位移峰值 mm

塔背回填混凝土的高度直接影響塔體順?biāo)飨蚝蜋M水流向的剛度，其中順?biāo)飨虻挠绊懽畲?，因此隨著回填高度增加，塔體順?biāo)飨蚝蜋M水流向的位移逐漸減小，且分布規(guī)律也有所變化。特別是從無(wú)回填模型HT-1到模型HT-2，順?biāo)飨蛭灰茰p少了57%，效果非常明顯，最大值雖由后端變?yōu)榱俗髠?cè)，但仍在塔頂部；從模型HT-2到HT-3，順?biāo)飨蛭灰茰p少了32%，模型HT-3最大位移發(fā)生在胸墻中部。三個(gè)模型的橫水流向最大位移分別減少22%、12%，其影響較順?biāo)飨蛐?，但其最大值位置基本一致。塔背回填混凝土高度的變化?duì)塔體豎直向位移的影響很小，基本可忽略不計(jì)。

2.3 應(yīng)力分析成果

各計(jì)算模型下，塔體各關(guān)鍵部位應(yīng)力分量峰值見(jiàn)表5。

表5 關(guān)鍵部位應(yīng)力峰值 MPa

計(jì)算成果表明：塔背回填混凝土高度直接影響塔背拉應(yīng)力值水平及分布。由于模型HT-1塔背無(wú)回填混凝土，其拉應(yīng)力值非常大，且集中分布在塔背與邊坡接觸位置。順?biāo)飨蜻_(dá)到了12.50MPa，豎向7.82MPa，橫水流向5.46MPa，其應(yīng)力水平已難以通過(guò)配筋或設(shè)置錨筋等局部措施解決，影響其整體穩(wěn)定性。因此針對(duì)模型HT-1，塔體必需調(diào)整結(jié)構(gòu)剛度，如采取回填等措施。隨著塔背回填混凝土高度增加，塔背三個(gè)方向的應(yīng)力峰值均有明顯改善。從無(wú)回填模型HT-1到回填至0.73倍塔高模型HT-2，塔背順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力減小至2.65MPa，豎向拉應(yīng)力減小至3.49MPa，橫水流向減小至2.35MPa，其減小幅度分別達(dá)79%、55%、57%，應(yīng)力水平基本達(dá)到可以通過(guò)局部加強(qiáng)配筋等措施解決的目的。而從模型HT-2到模型HT-3，僅豎向應(yīng)力減少明顯，其余順?biāo)骱蜋M水流向變化不大。

隨著塔背回填混凝土高度增加，塔體其它部位，如底板、門(mén)槽周邊、喇叭口上唇和攔污柵順?biāo)飨蚝拓Q向拉應(yīng)力均出現(xiàn)先減后增的變化趨勢(shì)，在模型HT-2產(chǎn)生一個(gè)拐點(diǎn)，總體來(lái)說(shuō)變化幅度相對(duì)較??；而這幾個(gè)部位的橫水流向應(yīng)力峰值隨著塔背回填混凝土高度的增加而不斷增加，最大變化值為1.14 MPa。通氣孔由于靠近塔背，因此也受塔背回填影響較大，三個(gè)主軸方向應(yīng)力的變化規(guī)律和塔背一致，隨著回填高度增加而遞減。

3 結(jié) 論

根據(jù)分析成果，可以得到如下結(jié)論：

(1)隨著塔背回填混凝土高度的增加，結(jié)構(gòu)低階自振頻率增加顯著，但增幅逐漸減小，說(shuō)明塔背回填高度對(duì)岸塔式結(jié)構(gòu)整體剛度影響較大。

(2)隨著回填高度增加，塔體順?biāo)飨蚝蜋M水流向的位移逐漸減小，且分布規(guī)律也有所變化，塔背接觸高度從0.48倍塔高到0.73倍，再到1.0倍，其順?biāo)飨蛭灰品謩e減少了57%、32%，其變化幅度在逐次減弱。

(3)塔背回填高度對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力響應(yīng)也非常明顯，特別是對(duì)塔背應(yīng)力影響顯著。但隨著回填混凝土高度增加，其影響程度也在逐漸減弱。而門(mén)槽周邊、底板、喇叭口上唇和攔污柵等部位，順?biāo)飨蚝拓Q直向拉應(yīng)力出現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)，其橫水流向應(yīng)力卻有逐次增加的趨勢(shì)。

(4)綜上所述，隨著塔背回填高度的增加，混凝土用量增幅越來(lái)越大，而對(duì)結(jié)構(gòu)受力的改善效果卻逐漸減弱，到一定高度后反而出現(xiàn)負(fù)面效應(yīng)，說(shuō)明塔背回填高度并非越高越好。在混凝土回填高度增加過(guò)程中存在一個(gè)拐點(diǎn)，即為最經(jīng)濟(jì)合理的回填高度，針對(duì)此岸塔式結(jié)構(gòu)，推薦回填高度至0.73倍左右塔高。若對(duì)類(lèi)似結(jié)構(gòu)，可以借鑒此高度比例，亦可通過(guò)類(lèi)似的敏感性分析確定經(jīng)濟(jì)合理的回填高度。

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