韓延貴,楊青順
(1.青海大學(xué)土木工程學(xué)院,青海 西寧 810016;2.青海省建筑節(jié)能材料與工程安全重點實驗室;3.青海省水利水電勘測設(shè)計研究院,青海 西寧 810012)
水工框架結(jié)構(gòu)在水利水電工程中承擔(dān)著啟閉閘門、宣泄洪水的重要作用,因而水工框架結(jié)構(gòu)的抗震性能是大壩等擋水建筑物在地震中受損后,能否及時泄空庫水,避免發(fā)生潰壩等嚴(yán)重后果的決定因素。研究水工框架結(jié)構(gòu)的抗震性能,不斷改進(jìn)結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計,才能提高大壩等擋水建筑物在地震下的安全運(yùn)行能力,避免或減輕地震造成的災(zāi)害損失。於正芳等[1]對包括水工框架結(jié)構(gòu)等非壩體水工建筑物的動力模型試驗方法進(jìn)行了研究。研究表明,水平向地震對高聳建筑物影響較大,是高聳薄壁建筑物的抗震薄弱環(huán)節(jié)。芮開天等[2]以西北某水閘為例,采用動力時程法計算了水閘上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)。研究結(jié)果表明,上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)呈現(xiàn)隨高程增加而線性增大的趨勢,且結(jié)構(gòu)的應(yīng)力集中出現(xiàn)在上部結(jié)構(gòu)與下部結(jié)構(gòu)連接處。王舟等[3]應(yīng)用非平穩(wěn)隨機(jī)過程模擬的譜表示——隨機(jī)函數(shù)方法,通過代表性時程集合的平均反應(yīng)譜與規(guī)范反應(yīng)譜的擬合比較,發(fā)現(xiàn)K-T(Kanai-Tajimi)廣義演變譜模型更適用于水工建筑物抗震設(shè)計。劉冬梅[4]對某水電站攔河閘工程結(jié)構(gòu)和地基進(jìn)行了三維有限元靜力分析和動力響應(yīng)分析,發(fā)現(xiàn)在順?biāo)鞣较?,閘墩對排架的地震效應(yīng)影響很小,在垂直水流方向,閘墩對排架的地震效應(yīng)影響較大。張冰[5]對一個10層框架結(jié)構(gòu)在近場地震作用下的響應(yīng)特性作了深入的研究,發(fā)現(xiàn)近場地震作用下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)遠(yuǎn)大于一般地震動作用下的響應(yīng)。涂勁等[6]對某水電站高拱壩-地基體系的地震響應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值分析,發(fā)現(xiàn)在地震超載和滑裂面抗剪強(qiáng)度降低的計算工況中,壩體位移反應(yīng)的突變有不同的表現(xiàn)形式。然而關(guān)于在罕遇地震下水工框架結(jié)構(gòu)的抗震性能的研究較少。本文以西北某水閘上部鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)為例,基于纖維有限元模型,采用動力時程分析方法對該結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能進(jìn)行計算分析,以期為高烈度區(qū)水工框架結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計提供參考和建議。
某引水樞紐位于青海省柴達(dá)木盆地南部,樞紐控制灌溉面積5 800 hm2,灌渠最大引水流量為7 m3/s。引水樞紐主體為泄洪沖沙閘,根據(jù)規(guī)范SL 252—2017《水利水電工程等級劃分及洪水標(biāo)準(zhǔn)》[7],工程等別為Ⅲ等,工程規(guī)模為中型。泄洪沖沙閘、進(jìn)水閘、溢洪道等永久性主要建筑物級別為3級,邊坡防護(hù)工程、消能防沖等次要建筑物級別為4級。工程設(shè)計洪水標(biāo)準(zhǔn)30年一遇,相應(yīng)的洪水流量為 407 m3/s,校核洪水標(biāo)準(zhǔn)100年一遇,相應(yīng)的洪水流量為720 m3/s。
泄洪沖沙閘布置在主河床,閘前正常蓄水位為3 106.4 m,設(shè)計洪水位為3 106.4 m,校核洪水位為3 108.5 m,總庫容為14.1×105m3。泄洪沖砂閘最大泄水流量為691.5 m3/s,設(shè)3個孔口,單孔孔口尺寸為6.5 m×5 m,底板設(shè)計高程3 100.0 m,閘墩頂高程3 110.0 m。設(shè)3臺卷揚(yáng)式啟閉機(jī),啟閉機(jī)設(shè)置在泄洪沖沙閘上部鋼筋混凝土框架上??蚣転槿湃龑咏Y(jié)構(gòu),垂直水流方向總跨度為23 m,順?biāo)鞣较蚩傞L度為5.2 m,總高度為11 m??蚣苤畲蟪叽鐬?.6 m×0.6 m,框架梁最大尺寸為0.6 m×0.4 m。
根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)GB 18306—2015《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》[8],工程區(qū)地震動峰值加速度為 0.15 g,相應(yīng)的地震基本烈度為Ⅶ度。近場區(qū)5 km以內(nèi)無活斷層,區(qū)域重磁異常不明顯,根據(jù)區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性四分體系分級,工程區(qū)屬構(gòu)造穩(wěn)定性較好區(qū)。工程各項建筑物抗震設(shè)防類別為丁類,需進(jìn)行抗震計算,并對主要建筑物采取相應(yīng)的抗震措施。
圖1 計算模型Fig.1 Calculation model
根據(jù)盈建科軟件設(shè)計結(jié)果,采用通用非線性有限元軟件MSC.Marc為平臺,建立泄洪沖沙閘結(jié)構(gòu)的有限元模型。模型建立情況見圖1,荷載加載情況見圖2。建模的基本方法如下:
(1)混凝土梁柱采用清華大學(xué)基于MSC.Marc開發(fā)的纖維梁單元THUFIBER[9]進(jìn)行模擬,MSC.Marc為98號單元。
(2)樓板采用薄殼139號單元進(jìn)行模擬。
(3)混凝土和鋼筋的材料參數(shù)均根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范采取對應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)值,混凝土核心區(qū)的本構(gòu)采用SR約束模型[10]。
(4)對于結(jié)構(gòu)的荷載,將梁和樓板上的荷載折算為相應(yīng)的梁和樓板的密度進(jìn)行模擬。
圖2 啟閉層梁柱尺寸及啟閉荷載分布情況Fig.2 Beam-column dimensions and distribution of loading of headstock
框架第1層及第2層柱截面尺寸均為0.6 m×0.6 m,第3層柱截面尺寸為0.4 m×0.4 m;第1層及第3層梁截面尺寸均為0.4 m×0.4 m,第2層主梁截面尺寸為0.6 m×0.4 m,次梁尺寸為0.4 m×0.4 m??蚣芑炷翗?biāo)號為C30F250,彈性模量為3×104N/mm2,軸心抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為20.1 N/mm2;鋼筋采用HRB400鋼筋,彈性模量為2×105N/mm2,鋼筋抗壓及抗拉強(qiáng)度設(shè)計值均為360 N/mm2。
根據(jù)工程位置區(qū)域地震動參數(shù)及設(shè)防烈度,結(jié)合GB 51247—2018《水工建筑物抗震設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)》[11]規(guī)范,生成符合本工程特性的設(shè)計反應(yīng)譜(見圖3)。從圖3可知,設(shè)計反應(yīng)譜分為3段:第1段為周期小于0.1 s的區(qū)段,β取從1.0到2.25的直線段;第2段為周期自0.1 s至特征周期0.46 s的水平段,β取最大值2.25;第3段為周期自0.46 s至3.0 s的區(qū)段,β按公式β(T)=2.25(0.30/T)0.6取值。再根據(jù)生成的設(shè)計反應(yīng)譜,從太平洋地震工程研究中心(PEER)的數(shù)據(jù)庫中選取了11條地震動(見圖4),并將地震加速度峰值(PGA)調(diào)幅至我國相關(guān)規(guī)范[11]的7度罕遇地震水平,即PGA=310 cm/s2。調(diào)幅后的地震動記錄按x∶y∶z=1.00∶0.85∶0.65的比例三向輸入[12]。分析采用經(jīng)典的Rayleigh阻尼,阻尼比取5%。
圖3 設(shè)計反應(yīng)譜Fig.3 Design response spectrum
圖4 地震加速度時程曲線Fig.4 Time-history curve of earthquake acceleration
表1模型質(zhì)量檢驗
表2模型周期檢驗
模型驗證通過驗算模型的結(jié)構(gòu)總重量和模型
主要周期是否與設(shè)計結(jié)果吻合。驗算結(jié)果見表1和表2。由表1可以看出,模型的重量檢驗結(jié)果誤差小于3%,說明模型在重量上和設(shè)計結(jié)果吻合的較好。再由表2可以看出,模型在主要平動周期上的誤差均小于20%,說明模型的動力特性符合要求。
文中采用選取的11 條地震動來分析體系在罕遇地震(PGA=310 cm/s2)作用下的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。在框架沿垂直高度每層取一個特征點提取出垂直水流方向(X方向)和順河流方向(Y方向)的位移數(shù)據(jù),并給出框架體系在11條地震動下結(jié)構(gòu)響應(yīng)的中位值,根據(jù)位移數(shù)據(jù)及樓層高度計算出每層的層間位移角,生成了位移隨樓層的變化曲線(圖5)和層間位移角隨樓層的變化曲線(圖6)。
由圖5可以看出,結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)呈隨樓層高度增大而增大的趨勢,最大位移出現(xiàn)在結(jié)構(gòu)頂端,且順?biāo)鞣较?Y方向)位移明顯大于垂直水流方向(X方向)位移,這是因為X方向是三跨結(jié)構(gòu),Y方向是單跨結(jié)構(gòu),Y方向剛度小于X方向,變形更加明顯。此外,結(jié)構(gòu)位移在第二層以上變化不太明顯,這主要是由于結(jié)構(gòu)在第三層有樓板,整體剛度相比第一層和第二層更高,位移響應(yīng)更小。
根據(jù)圖5中的位移及樓層高度可計算出各層層間位移角,由層間位移角曲線(圖6)可以看出,結(jié)構(gòu)層間位移角隨樓層高度增大而線性減小。由圖6還可以看出,順河流方向(Y方向)的層間位移角變化最為明顯,主要還是因為結(jié)構(gòu)在順?biāo)鞣较驗閱慰缃Y(jié)構(gòu),相比垂直水流方向(X方向)剛度小,位移響應(yīng)更加明顯。此外,框架體系在罕遇地震作用下,體系的最大層間位移角為0.018,小于規(guī)范中結(jié)構(gòu)彈塑性位移角的限值(限值為1/50)。
圖5 樓層-位移Fig.5 Floor-displacement
圖6 樓層-層間位移角Fig.6 Angle of floor-to-floor displacement
為了研究構(gòu)件的損傷破壞,對于梁或柱單元,根據(jù)纖維梁單元中鋼筋纖維的應(yīng)變是否大于屈服應(yīng)變來判斷梁柱構(gòu)件是否出現(xiàn)塑性鉸。屈服應(yīng)變由鋼筋的屈服應(yīng)力與彈性模量確定[12]。由于結(jié)構(gòu)的第1周期點上,El-Centro地震動的加速度反應(yīng)譜與設(shè)計反應(yīng)譜的誤差為18.2%(圖7),小于20%,滿足規(guī)范GB 50011—2016《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》[13]第5.1.2條要求,因此結(jié)構(gòu)損傷分析以El-Centro 作為典型輸入,計算模型及計算參數(shù)同前文一致。計算完成后,框架整體塑性鉸的分布情況如圖8所示。框架體系在罕遇地震作用下,結(jié)構(gòu)在主要梁柱節(jié)點及柱與基礎(chǔ)連接部位出現(xiàn)塑性鉸,說明結(jié)構(gòu)在罕遇地震下已經(jīng)損傷,喪失了結(jié)構(gòu)在地震后繼續(xù)工作的能力。
圖7 El-Centro 地震動加速度反應(yīng)譜和規(guī)范反應(yīng)譜對比Fig.7 Comparison between acceleration response spectrum and standard response spectrum of earthquake by EI-Centro
圖8 框架梁柱塑性鉸分布情況Fig.8 Distribution of plastic hinges of frame beam and column
啟閉機(jī)安裝在機(jī)架下面的鋼筋混凝土大梁上,SL 191—2008《水工混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[14]中對安裝啟閉機(jī)的大梁的撓度有專門的要求,即撓度ω≤l/500(l為計算跨度)。因此本文中通過對啟閉機(jī)安裝大梁撓度的計算,分析結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的主要構(gòu)件變形情況,以及變形對結(jié)構(gòu)主要功能的影響。本次分析結(jié)構(gòu)是3孔閘,每孔的啟閉機(jī)均由啟閉層上的2根大梁直接承擔(dān)。因此文中對3組6根大梁的撓度進(jìn)行計算并提取,結(jié)果見表3。
表3啟閉機(jī)安裝大梁變形驗算
由表3可以發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)在遭遇罕遇地震時,啟閉機(jī)安裝大梁撓度最小為6.97 mm,最大為8.55 mm。大梁撓度均大于設(shè)計規(guī)范[14]要求的撓度限值(ω=2.4/500=4.80 mm),不滿足結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生后的緊急啟閉要求。
劉冬梅[4]研究認(rèn)為,對于閘墩上部排架結(jié)構(gòu),在順?biāo)鞣较?,閘墩對排架的地震效應(yīng)影響很小,在垂直水流方向,閘墩對排架的地震效應(yīng)影響較大,因而排架在順?biāo)鞣较虻奈灰祈憫?yīng)大于垂直水流方向的位移響應(yīng)。本研究結(jié)果表明,順?biāo)鞣较?Y方向)位移和層間位移角均大于垂直水流方向(X方向)的位移和層間位移角,這與上述的結(jié)論一致。芮開天等[2]采用動力時程法計算了水閘上部結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng),發(fā)現(xiàn)閘室上部結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移響應(yīng)呈現(xiàn)隨高程增加而線性增大的趨勢。本研究也得出,結(jié)構(gòu)位移響應(yīng)呈隨樓層高度增大而增大的趨勢。此外,本文研究還發(fā)現(xiàn),啟閉層(第三層)因為剛度大,位移響應(yīng)變化相對其它層較小。在罕遇地震下,結(jié)構(gòu)的主要梁柱節(jié)點及柱與基礎(chǔ)連接部位均出現(xiàn)塑性鉸,且啟閉機(jī)安裝大梁撓度均大于規(guī)范限值,不滿足結(jié)構(gòu)在地震發(fā)生后的緊急啟閉要求。需要進(jìn)一步研究改進(jìn)設(shè)計方案,提高結(jié)構(gòu)抗震性能。本次研究得到了水工框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的一些初步結(jié)論,對于高烈度區(qū)的水工框架結(jié)構(gòu)設(shè)計具有一定的指導(dǎo)和參考意義。關(guān)于如何根據(jù)研究結(jié)果,改進(jìn)設(shè)計方案,提高水工框架結(jié)構(gòu)在罕遇地震下的抗震性能,還需進(jìn)一步研究。