塔背回填混凝土对进水塔地震响应的影响分析

李 锋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

文章编号：1006—2610(2015)01—0085—03

塔背回填混凝土对进水塔地震响应的影响分析

李 锋

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，西安 710065)

塔背回填混凝土将岸塔式进水塔和山岩连成一体，提高了进水塔整体刚度，有效改善了塔体在地震情况下的拉应力幅值，对进水塔结构的抗震设计非常关键。以某水电站的岸塔式进水塔为例，针对不同高度塔背回填混凝土的塔体模型进行三维有限元静动力计算，以分析回填混凝土对进水塔地震响应的影响。

进水塔；回填混凝土；有限元；静动力分析；地震响应

0 前 言

某电站进水塔为岸塔式，进水塔底板高程1 737.00 m，底板厚4 m，塔顶高程1 779.00 m，塔高46 m，塔体沿顺水流向长15 m，塔宽10 m，塔内设有平板检修门1道，塔体背部通过回填混凝土与山体相连。研究发现，回填混凝土能够有效改善塔体在地震情况下的拉应力幅值，对进水塔结构的抗震设计非常关键[1]。鉴此，本文采用三维有限元法针对不同高度塔背回填混凝土的塔体模型进行三维有限元静动力计算，以分析回填混凝土对进水塔地震响应的影响，为工程设计提供依据。

1 计算分析过程

1.1 计算模型

采用ANSYS建立有限元模型，混凝土和围岩地基采用SOLID45单元来模拟，地震时塔内外水体产生的动水压力以附加质量的形式用质量单元Mass21进行模拟[2]。模型在地基深度方向、上下游侧及左右侧均取2倍建筑物高度(100 m)的无质量地基，以反映地基刚度对塔体动力特性的影响。基础前后、左右边界分别按法向链杆约束，基础底部边界采用全约束，以模拟截断边界的影响。图1为进水塔纵剖面及回填混凝土高度示意图，4个方案回填高程分别为1 754.00、1 764.00、1 775.00和1 779.00，相应的回填高度依次为10、20、31和35 m。图2为不同高度回填混凝土的塔体有限元模型。计算直角坐标系为：竖直向上为x轴正向，顺水流向为y轴正向，垂直水流向指向左岸为z轴正向。

1.2 材料参数

进水塔塔体材料为C25混凝土，回填混凝土强度等级为C15，塔体基础在弱风化岩体内，为Ⅲ类岩体。材料力学参数[3]见表1。

图1 进水塔纵剖面及回填混凝土高度示意图单位：高程，m；其它，mm

图2 进水塔三维有限元计算模型

表1 材料参数表

1.3 计算荷载

计算荷载[4-5]包括自重、静水压力、动水压力、扬压力、地震力，正常蓄水位1 775.00 m。

本工程为Ⅰ等大(1)型工程，进水塔为1级建筑物，抗震设防类别为乙类，地震设防烈度为7度。根据地震安评成果50年超越概率5%相应的基岩动峰值加速度为195.2 gal。采用规范推荐的地震加速度反应谱进行动力计算，反应谱放大系数2.4，场地特征周期0.55，同时计入水平向和竖向地震作用，竖向峰值加速度为水平向峰值加速度的2/3。水平地震动总反应幅采用2个主轴方向地震作用效应的平方和方根，再与乘以0.5遇合系数的竖向地震效应相加，在与静力叠加时地震作用效应折减系数取0.35[6-7]。

1.4 计算工况

根据不同的荷载组合，计算采用以下工况对进水塔进行分析：

(1) 工况1，正常蓄水位(持久状况)。自重+静水压力+扬压力；

(2) 工况2，地震工况(偶然状况)。自重+静水压力+扬压力±地震。

2 有限元计算结果分析

2.1 塔体自振特性

各计算模型塔体前5阶自振频率如表2所示。

表2 进水塔自振频率表 /Hz

由表2可知，随着回填高度的增加塔体自振频率增大，说明回填混凝土提高了进水塔的整体刚度；满库情况下由于附加质量的影响，结构自振频率相对空库时变小，这与在刚度不变的情况下，质量越大，频率越小的规律是相符的。满库时，塔体基频较空库降幅约为30%，说明水体附加质量对塔体自振频率影响很大[8]。

2.2 塔体位移反应

各方案塔体最大位移变化趋势如表3和图3所示。

表3 各方案塔体最大位移表 /mm

图3 地震工况不同回填高度下塔体位移变化曲线图

由计算结果可见，地震工况下塔体位移幅值远大于正常工况，为控制性工况。

在正常工况时，不同回填高度下塔体位移变化较小，整个塔体在自重作用下呈现向库区前倾的趋势；地震工况时各方案位移变化幅度远大于正常工况，随着回填混凝土高度的增加，塔体位移显著减小，2个水平方向的位移中，Z向位移较Y向大，这是由于进水塔沿进水方向(Y向)宽度比垂直进水方向(Z向)宽度大，且塔后通过回填混凝土和山体相连，导致Y方向整体刚度比Z向刚度大，地震时Z向变形显著。

2.3 塔体应力反应

各方案塔体主应力变化趋势如表4和图4、5所示，图表中正号表示拉应力，负号表示压应力。

表4 各方案塔体主应力极值表 /MPa

图4正常工况不同回填高度下塔体主应力极值变化曲线图

图5地震工况不同回填高度下塔体主应力极值变化曲线图

从图表中可以看出，地震工况下塔体主拉应力远大于正常工况，为控制性工况。

对于主压应力，在2种工况下，随着回填混凝土高度的增加均呈上升趋势，但是变化幅度较小；对于主拉应力，在正常工况下，随着回填混凝土高度的增加呈上升趋势，地震工况下，则随着回填混凝土高度的增加呈下降趋势，而且地震工况下拉应力幅值及其变化幅度远大于正常工况，说明回填混凝土能够有效降低塔体地震情况下的拉应力值，对于塔体抗震设计非常重要。

3 结 语

通过对不同高度塔背回填混凝土的进水塔三维有限元静动力分析可知，回填混凝土能够显著降低塔体在地震情况下的位移与拉应力幅值，对于塔体抗震设计非常关键，但是回填高度太高不仅增加工程成本而且会增加塔体约束，导致在正常运行期塔体拉应力值较大。因此在设计中需要通过综合比较拟定合适的回填高度，既能使塔体在地震情况下位移及应力值在可接受范围内，又不至于在正常运行期出现较大拉应力，同时也能降低工程成本。

[1] 梁德娣.水电站进水塔结构体型的抗震动力特性研究[D].西安:西安理工大学硕士学位论文,2012,3.

[2] 祖威.黄金坪右岸小厂房进水塔结构静动力分析[J].水电站设计,2014,(2):63-66.

[3] DL/T 5057-2009,水工混凝土结构设计规范[S].北京：中国电力出版社,2009.

[4] DL /T5398-2007,水电站进水口设计规范[S].北京：中国电力出版社,2008.

[5] DL 5077-1997,水工建筑物荷载设计规范[S].北京：中国电力出版社,1998.

[6] DL 5073-2000,水工建筑物抗震设计规范[S].北京：中国电力出版社,2000.

[7] 程汉昆,赵宝友,马震岳.岸塔式进水塔结构的抗震与稳定性分析[J].水电能源科学，2011,(11):94-96.

[8] 王铭明,陈健云,徐强.重力坝-库水-地基相互作用分析方法比较研究[J].大连理工大学学报,2013,(5):715-722.

Analysis of Impacts on Earthquake Response of Intake Tower by Backfill Concrete on Tower Back

LI Feng

(POWERCHINA Xibei Engineering Corporation Limited, Xi'an 710065, China)

The backfill concrete on the tower back integrates the intake tower and the mountain rockmass, increasing the overall rigidity of the intake tower and effectively improving the tensile stress range value of the tower body in earthquake condition. This is very important for the aseismic design of the intake tower structure. With the case of the intake tower of one hydropower station, the static and dynamic calculations in 3D finite element method are performed to the tower models with the backfill concrete on the tower back at different heights so as to analyze the impacts on the earthquake response of the intake tower by the backfill concrete on the tower back.

intake power; backfill concrete; finite element; static and dynamic analysis; earthquake response

2014-07-23

李锋(1986- )，男，陕西省神木县人，助理工程师，主要从事水工结构设计工作.

TV223.7；TU352.1

A

10.3969/j.issn.1006-2610.2015.01.022