高耸独立进水塔动力稳定性分析

赵晓红，张 军，乔海娟，张汉云

(1．中国电建集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014；2.水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；3.水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310012；4．河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)



高耸独立进水塔动力稳定性分析

赵晓红1，张 军2，3，乔海娟2，3，张汉云4

(1．中国电建集团华东勘测设计研究院，浙江 杭州 310014；2.水利部农村电气化研究所，浙江 杭州 310012；3.水利部农村水电工程技术研究中心，浙江 杭州 310012；4．河海大学水利水电学院，江苏 南京 210098)

某高耸独立进水塔位于地震高烈度区，分析其在地震情况下的抗倾覆和抗滑移稳定对工程具有重大意义。采用有限元分析软件ANSYS对进水塔结构进行了三维有限元动力数值仿真分析，利用软件的后处理功能，提取了结构的加速度反应；再通过在ANSYS中编制的计算程序结合其加速度反应对结构的整体稳定性进行分析。结果表明，该进水塔结构在动力稳定性方面能够满足工程设计要求。图7幅，表1个。

高耸独立进水塔；时程分析；动力稳定性

0 引 言

进水塔是水利水电工程中引水发电系统或泄洪系统的控制性建筑物，其对引水、泄水系统甚至挡水建筑物的安全性评价意义重大。进水塔结构四面环水，高宽比一般较大，增加了结构的抗震设计难度。因此，对其进行地震反应研究具有重要的工程价值和现实意义，其抗震稳定性分析是抗震安全性评价的重要内容。

本文采用有限元分析软件ANSYS构建了进水塔—地基体系相互作用的三维模型，并对其进行了三维有限元动力数值仿真分析。基于动力有限元的结果，采用参数化设计语言APDL编制了整体抗倾覆和抗滑移稳定性动力时程安全系数的计算程序，分析了进水塔结构整体抗倾覆和抗滑移稳定性，对进水塔结构的抗震稳定性进行评价，可为工程抗震安全评价和设计提供参考。

1 计算模型与参数

1.1 计算模型

某水电站泄洪排沙洞进水塔为高耸独立进水塔，进水塔三面嵌固在岩石中。进水塔顶面高程886 m，底面高程800 m，垂直水流方向底宽和顶宽分别为19.4 m和16.4 m，顺水流方向底宽和顶宽分别为43 m和25.81 m，正常蓄水位877 m。

采用ANSYS建立三维有限元模型，建模时考虑了结构和地基的相互耦合作用，建立结构—地基的三维整体分析模型。其中，基础向上下游各取50 m，左右两侧各取20 m，基础深度取50 m。模型采用笛卡尔坐标系，原点取在进水塔检修闸门中心的底板顶面，X轴正向为垂直水流方向指向左侧，Z轴正向为竖直向上，Y轴正向为顺水流方向指向上游(见图1)。

(a)整体模型 (b)进水塔结构

图1 三维有限元网格

1.2 计算参数

进水塔结构材料为C30混凝土，回填混凝土采用C15，参数取自《混凝土结构设计规范》(GB 50010—2010)[1]，混凝土动态弹性模量的标准值较静态提高30%[2]，地震时的动水压力采用附加质量模拟，地基采用无质量地基[3_4](见表1)。

表1 计算参数

2 动力稳定性分析方法

高耸结构的稳定计算通常有拟静力法和时程分析这两种方法[5]，对于重要的高耸进水塔结构，尤其是周围都受水压力的进水塔，采用拟静力法计算可能无法满足工程的要求。本文假定材料是各向同性线弹性的，不考虑基础单元的拉应力，在ANSYS中实现动力稳定的时程分析。在时程分析结果文件里提取每个单元的位移分量，求导计算出每个单元的加速度分量，再进一步计算出结构的抗倾覆力矩和倾覆力矩、抗滑移力和滑移力，进一步校核结构的抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性。本文在进行进水塔稳定性分析时做了如下假定：

图2 塔体倾覆受力示意

2.1 时程分析

时程分析时的加速度时程曲线通过拟合规范反应谱的人工地震波获得，按照水工建筑物抗震设计规范采用的抗震设计标准反应谱，再根据本场地校核情况下100年超越概率2%水平地震加速度代表值α=0.382 g和特征周期T=0.4 s，计算出目标反应谱；然后利用程序人工生成模拟出1条地震加速度时程曲线。图3给出了α=0.382 g时的人工拟合的地震波(见图3)。地震荷载采用上述人工拟合的地震波，每0.01 s为一荷载步，共计算1 000步。时程计算时不考虑地基的自重，地震波分别从垂直水流向、顺水流向、竖向3个方向输入，计算在各个方向下结构的动力响应。

图3 人工拟合水平向地震波

2.2 抗倾覆稳定性分析

抗倾覆稳定由抗倾覆稳定系数K1来衡量：

K1=MR/M0

2.3 抗滑移稳定性分析

抗滑移稳定由抗滑移稳定系数K2来衡量：

K2=FR/FC

3 计算结果及分析

(1)加速度时程曲线

无论是抗倾覆稳定还是抗滑移稳定的计算，都需要塔体的加速度时程曲线，本文利用ANSYS软件计算了进水塔结构在α=0.382 g时的时程响应，得到了进水塔结构相应的加速度时程曲线(见图4)。

(2)抗倾覆稳定性

进水塔抗倾覆稳定系数的最小值为1.08。抗倾覆力矩大于倾覆力矩，表明在整个地震波计算时程段内，进水塔结构的抗倾覆稳定可以满足要求，但两者的数值较接近。其抗倾覆稳定系数的倒数时程曲线如下所示(见图5)，其中发生倾覆最危险的时刻是4.89 s，基本在地震峰值后的第二个峰值加速度时刻出现。

(3)抗滑移稳定性

进水塔抗滑移稳定系数的最小值为4.35，同样发生在4.89 s，抗滑移稳定系数的倒数时程曲线如下所示(见图6)。从时程曲线可以看出，抗倾覆稳定性系数与抗滑移稳定性系数相应的极值点时间出现时刻基本一致，但是抗滑移稳定性更加安全。

(4)塔顶水平动位移时程曲线

进水塔动力稳定计算时，即使抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数都较小，依然满足不了工程设计要求，但地震波动时最大持时较短，只要位移波动是稳定的，就能保证满足进水塔结构整体的稳定性要求。垂直水流向进水塔塔顶位移时程曲线如下所示(见图7)，其位移波动是稳定的，且位移极值与抗倾覆及抗滑移稳定性系数相应的极值点时间出现时刻基本一致。

图4 垂直水流向进水塔塔顶加速度时程曲线

图5 抗倾覆稳定系数倒数时程曲线

图6 抗滑移稳定系数倒数时程曲线

图7 垂直水流向进水塔塔顶位移时程曲线

4 结 论

该进水塔结构的抗倾覆稳定系数为1.08，说明倾覆弯矩稍小于抗倾覆弯矩，但提离程度和转动角度都较小；另外地震最大加速度持时较短，经过应力重分布塔体不会发生倾覆破坏，而且塔顶有与岸边相连的桥梁，可以增大其稳定性。进水塔抗滑移稳定系数最小值为4.35，安全余度较大，在地震作用下不会发生滑移。

除了从抗倾覆稳定系数和抗滑移稳定系数来判别进水塔结构的整体安全性之外，从塔顶位移时程曲线还可以得出：在整个地震过程中，进水塔结构的位移始终都是趋于稳定的，不会出现位移偏离现象，所以整体结构是安全的。此高耸进水塔结构在抗震安全性和稳定性方面能够满足工程要求，在地震作用下不会发生倾覆破坏和滑移破坏。

[1]GB 50010—2010，混凝土结构设计规范 [S].

[2]DL 5073—2000，水工建筑物抗震设计规范[S].

[3]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，2011，29(11):94_96.

[4]乐成军，任旭华，邵 勇，等. 水电站进水塔结构抗震设计研究[J]. 水力发电，2009，35(5):86_89.

[5]JGJ 3—91，钢筋混凝土高层建筑结构设计与施工规程[S].

责任编辑 吴 昊

2016-10-13

南京水利科学研究院中央级公益性科研院所基本科研业务费专项资金(青年基金)项目；长江科学院开放研究基金资助项目(CKWV2015215/KY)

赵晓红(1984-)，女，工程师，主要从事水土保持设计方面的研究工作。 E_mail：zhao_xh@ecidi.com