李志成，陶桂蘭，王嘉煒，張 馳，郜寧靜

(河海大學(xué) 港口海岸與近海工程學(xué)院，江蘇 南京 210098)

地震是危及人民生命財產(chǎn)安全、破壞性極大的突發(fā)性自然災(zāi)害，強烈地震常常會帶來慘重的生命和財產(chǎn)損失，以往震害表明水電站進水塔頂部啟閉機房和升船機塔柱頂部機房等部位是震害的易損部位[1-2]。在我國日益加快的西部開發(fā)建設(shè)環(huán)境下，高壩通航建筑物的建設(shè)規(guī)模越來越大，為滿足通航需求，擬在地震基本烈度為8度的金沙江白鶴灘修建200 m級超高揚程齒輪齒條垂直升船機。與已建成的升船機工程相比，擬建的白鶴灘升船機提升高度擴大了近1倍，使升船機結(jié)構(gòu)的變形和受力形式變得更加復(fù)雜。有必要針對其受到地震作用時可能發(fā)生強烈的鞭梢效應(yīng)而引起的嚴重震損進行深入研究。目前，對超高揚程升船機機房尤其是不同機房結(jié)構(gòu)形式的鞭梢效應(yīng)研究較少。本文基于白鶴灘200 m級超高揚程齒輪齒條垂直升船機結(jié)構(gòu)，建立考慮地基-塔柱-頂部機房共同作用的升船機塔柱結(jié)構(gòu)有限元模型[3]，對塔柱結(jié)構(gòu)和頂部機房的動力響應(yīng)及鞭梢效應(yīng)進行研究。研究成果可為超高揚程垂直升船機塔柱及頂部機房結(jié)構(gòu)方案的設(shè)計指導(dǎo)提供依據(jù)，也可為今后同類型結(jié)構(gòu)的研究提供借鑒。

1 超高揚程升船機頂部機房形式

1.1 工程概況

擬建金沙江白鶴灘水電站升船機上游最高通航水位為782 m，下游最低通航水位為581.4 m，最大提升高度為200 m，設(shè)計通航船舶為3 000噸級，對應(yīng)的升船機類別為Ⅰ級大型升船機。升船機船廂室結(jié)構(gòu)主要包括基礎(chǔ)、擋土墻、承重塔柱和機房4個部分，承重塔柱采用的是鋼筋混凝土全筒式結(jié)構(gòu)，對稱布置在船廂室的左、右兩側(cè)，整個塔柱結(jié)構(gòu)由2個大型筒體組成，船廂室寬25.6 m，單側(cè)塔柱寬17.5 m，長110 m，高240 m，擋土墻高46.5 m。塔柱底部與筏形基礎(chǔ)連為整體，筏形基礎(chǔ)總長115 m、總寬73.6 m、高8.5 m，頂部通過7根橫向聯(lián)系梁連接，聯(lián)系梁長25.6 m、高6 m。頂部機房擬采取分離式機房的結(jié)構(gòu)形式。

1.2 機房形式擬定

為了對比分析不同機房形式的升船機在地震作用下的鞭梢效應(yīng)，在升船機頂部機房設(shè)計時借鑒三峽、向家壩、水口等已建和籌建工程的經(jīng)驗，參照文獻[4-6]確定了整體式機房和分離式機房2種機房形式。

1)分離式機房：升船機塔柱頂部通過橫向聯(lián)系梁連系，在塔柱結(jié)構(gòu)頂部兩側(cè)左右對稱布置機房，機房由鋼筋混凝土排架柱和頂部鋼桁架組成。兩側(cè)機房之間凈距17.8 m，外輪廓長110.0 m，寬21.1 m，跨度21.1 m。頂部機房排架柱截面尺寸為1 m×2 m，柱高29.5 m，柱距7.3～8.0 m。

2)整體式機房：升船機塔柱頂部通過梁板結(jié)構(gòu)實現(xiàn)橫向連接，并構(gòu)成頂部機房的基礎(chǔ)，頂部機房覆蓋整個升船機塔柱，由鋼筋混凝土排架柱和頂部大跨度鋼桁架組成。機房在船廂室段長110.0 m，寬60.6 m，跨度60.6 m。頂部排架柱的柱高、柱距及截面尺寸均與分離式機房相同。

2 有限元計算模型及參數(shù)

2.1 有限元模型

采用大型通用有限元軟件ANSYS針對不同機房形式的升船機結(jié)構(gòu)，分別建立3種工況的有限元模型：工況1為無機房塔柱模型，機房結(jié)構(gòu)的質(zhì)量以附加質(zhì)量的形式施加于塔柱頂部；工況2為設(shè)立整體式機房的塔柱模型；工況3為設(shè)立分離式機房的塔柱模型，三維有限元模型及特征點分布見圖1。塔柱結(jié)構(gòu)的船廂室和地基均采用8節(jié)點六面體實體單元SOLID185模擬；鋼筋混凝土排架柱和頂部鋼桁架均采用BEAM189梁單元模擬；地基水平模擬范圍以船廂室基礎(chǔ)輪廓為界，向上下游方向、左右兩側(cè)各模擬240 m；地基深度取1倍結(jié)構(gòu)高度240 m。塔柱結(jié)構(gòu)的地基邊界條件為：底面全部約束，各側(cè)面均采用法向約束。模型建立的坐標(biāo)系為：坐標(biāo)原點為右塔柱結(jié)構(gòu)上游角點，順河向為X軸(縱向)，橫河向為Y軸(橫向)，垂直向上為Z軸。

圖1 三維有限元模型及特征點分布

2.2 計算參數(shù)

升船機基礎(chǔ)地處玄武巖區(qū)，對基巖分層考慮，各層平均靜態(tài)模量取11 GPa[7]，泊松比為0.23，密度為2.7 t/m3，升船機塔柱結(jié)構(gòu)的材料采用線彈性本構(gòu)模型模擬，混凝土材料彈性模量采用動彈性模量，按規(guī)范取為靜彈性模量值的1.5倍，結(jié)構(gòu)采用Rayleigh阻尼，阻尼比取5%[8]，塔柱結(jié)構(gòu)各部位密度、彈性模量、泊松比見表1。

表1 材料參數(shù)

2.3 地震波

擬建升船機位于地震基本烈度為8度的場區(qū)，根據(jù)NB 35047—2015《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》，確定地震荷載的峰值加速度值為0.276g。由于升船機塔柱縱向剛度遠大于橫向剛度，故僅考慮橫向地震和豎向地震的組合作用，豎向地震荷載加速度取橫向地震荷載的2/3，采用無質(zhì)量地基模型[9]，地震動在結(jié)構(gòu)-地基的交界面處輸入[10]。

利用中國建筑抗震設(shè)計規(guī)范反應(yīng)譜程序和SIMQKE_GR程序隨機生成3條人工地震波(相關(guān)系數(shù)不大于0.3)作用于結(jié)構(gòu)，地震波持續(xù)時長為20 s，計算時間步長為0.02 s，人工地震波加速度時程曲線見圖2。

圖2 人工地震波加速度時程曲線

3 有限元計算結(jié)果與分析

3.1 超高揚程升船機結(jié)構(gòu)模態(tài)

采用ANSYS有限元軟件針對工況1進行自振特性分析，利用Block Lanczos 法提取塔柱結(jié)構(gòu)前50階振型，塔柱結(jié)構(gòu)前10階頻率及振型參與系數(shù)見表2。

表2 頻率及振型參與系數(shù)

從表2可以看出，塔柱結(jié)構(gòu)的前10階振型，主要以橫向、扭轉(zhuǎn)和縱向振動為主，其中有4階振型以橫向振動為主，分別是第1、4、6、7階。塔柱結(jié)構(gòu)一階為整體橫向振動，二階為整體扭轉(zhuǎn)振動，三階為整體縱向振動，四階為整體橫向交叉振動，表明該塔柱結(jié)構(gòu)也較易發(fā)生扭轉(zhuǎn)破壞，由于塔柱的扭轉(zhuǎn)運動對升船機結(jié)構(gòu)的正常運行非常不利，因此在進行塔柱結(jié)構(gòu)設(shè)計時有必要適當(dāng)增強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度，以保證升船機的安全運行。圖3為塔柱結(jié)構(gòu)前4階整體振型圖。

圖3 塔柱結(jié)構(gòu)振型圖

3.2 超高揚程升船機結(jié)構(gòu)鞭梢效應(yīng)

為便于比較各工況的動力響應(yīng)，以基礎(chǔ)頂部為零高程面，在塔柱及機房排架柱結(jié)構(gòu)上沿高程方向選取多個特征點，見圖1。采用時程分析法計算不同工況下塔柱結(jié)構(gòu)和頂部機房在地震作用下的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)(橫向)。

3.2.1位移響應(yīng)

根據(jù)3條人工地震波時程分析結(jié)果得到各特征點的位移響應(yīng)，機房頂部與塔柱頂部位移響應(yīng)極值及放大系數(shù)如表3所示，文中的放大系數(shù)是指頂部機房與塔柱頂部的動力響應(yīng)之比。

表3 結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)極值及放大系數(shù)

由表3可知，設(shè)立整體式機房的升船機塔柱頂部和機房頂部最大位移響應(yīng)分別為43.37、60.45 cm，位移放大系數(shù)為1.39倍；設(shè)立分離式機房的升船機塔柱頂部和機房頂部最大位移響應(yīng)分別為49.71、61.31 cm，位移放大系數(shù)為1.23倍；可見，工況2與工況3的機房頂部位移響應(yīng)較塔柱頂部有了較大提高，發(fā)生了地震鞭梢效應(yīng)，整體式機房的位移響應(yīng)增幅大于分離式機房，圖4給出的最大位移響應(yīng)沿高程變化曲線可以更加直觀地體現(xiàn)這一點。對比各個工況，工況3與工況1主體塔柱部分的位移響應(yīng)具有一致性，工況2塔柱頂部的位移響應(yīng)較工況1減小了13.5%，這主要是由于設(shè)立整體式機房的塔柱頂部由梁板結(jié)構(gòu)連接的結(jié)果。

圖4 最大位移響應(yīng)沿高程變化曲線

3.2.2加速度響應(yīng)

根據(jù)3條人工地震波時程分析結(jié)果得到各特征點的加速度響應(yīng)，結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)極值及放大系數(shù)見表4，加速度沿高程變化曲線見圖5。

表4 結(jié)構(gòu)加速度響應(yīng)極值及放大系數(shù)

圖5 最大加速度響應(yīng)沿高程變化曲線

從圖5可以看出，工況2、3的最大加速度響應(yīng)曲線在機房柱底處發(fā)生明顯的突變，加速度變化速率較主體塔柱部分有大幅度的提高，鞭梢效應(yīng)十分顯著，主要是該處截面尺寸減小、結(jié)構(gòu)剛度突變所致。由表4可知，塔柱頂部的加速度響應(yīng)較其底部有所放大；設(shè)立整體式機房的升船機塔柱頂部和機房頂部最大加速度響應(yīng)分別為3.14、16.50 m/s2，加速度放大系數(shù)為5.25倍；設(shè)立分離式機房的升船機塔柱頂部和機房頂部最大位移響應(yīng)分別為3.21、11.35 m/s2，加速度放大系數(shù)為3.53倍，整體式機房的加速度響應(yīng)增幅大于分離式機房。對比各個工況，工況2和工況3主體塔柱部分的加速度響應(yīng)與工況1基本一致，但是塔柱頂部加速度較工況1降低了8.5%～10.5%，說明頂部機房的設(shè)立在一定程度上降低了主體塔柱頂部的加速度響應(yīng)，主要是由于鞭梢效應(yīng)導(dǎo)致地震能量上移，對下部塔柱結(jié)構(gòu)起到了一定的減震效果。

綜上可知，地震作用下頂部機房的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)較塔柱結(jié)構(gòu)均有明顯的提高，考慮地基-塔柱-頂部機房三者共同作用的超高揚程升船機結(jié)構(gòu)地震鞭梢效應(yīng)明顯。地震波沿塔柱結(jié)構(gòu)自底向上具有放大效應(yīng)，頂部機房在下部塔柱結(jié)構(gòu)的激勵下發(fā)生振動，在設(shè)立整體式機房的塔柱頂部動力響應(yīng)更弱的基礎(chǔ)下，分離式機房的位移響應(yīng)和加速度響應(yīng)放大系數(shù)仍小于整體式機房，分離式機房較整體式機房在鞭梢效應(yīng)方面表現(xiàn)得更弱。可見，不同機房形式的升船機鞭梢效應(yīng)強弱有較大差異，在升船機結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)充分考慮其差異，合理確定機房形式。

4 結(jié)論

1)塔柱結(jié)構(gòu)前兩階振型是橫向振動和扭轉(zhuǎn)振動，在設(shè)計時須重點關(guān)注200 m級超高揚程升船機塔柱結(jié)構(gòu)在地震作用下的橫向振動及扭轉(zhuǎn)變形，必要時須采取諸如增強結(jié)構(gòu)的抗扭剛度等措施來減少其不利影響。

2)地震波沿塔柱結(jié)構(gòu)自底向上具有放大效應(yīng)，地震作用下頂部機房鞭梢效應(yīng)顯著，在加速度響應(yīng)方面尤為強烈；分離式機房較整體式機房在鞭梢效應(yīng)方面表現(xiàn)更弱，在升船機結(jié)構(gòu)設(shè)計中宜合理選定機房形式，可適當(dāng)增大或調(diào)整機房的剛度及質(zhì)量分布。

3)設(shè)計中須進一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)，建議塔柱頂部采用梁板結(jié)構(gòu)增強頂部約束，并進一步采取減震隔震等措施，確保升船機安全穩(wěn)定運行。