层间隔震对进水塔结构防震效果的评价研究

关健

（辽宁新民市农业技术推广与行政执法中心，辽宁沈阳110300）

1 工程背景

胜利水电站属于浑河的重要支流苏子河梯级开发的最末一级，是一座以发电为主，兼具防洪和养殖等诸多综合性功能的大型水利枢纽工程[1]。电站坝址位于辽宁省新宾县胜利村境内，工程设计库容为698万m3，工程等别为Ⅳ等，装机容量14 100 kW，多年平均发电量3 454 万kW·h，主要由挡水坝、翻板闸、冲沙闸、电站厂房及变电站等组成[2]。电站输水发电系统的进水塔位于上水库大坝上游靠近右岸的部位，设计为岸塔式结构，进水塔的基础面设计高程为153.40 m，塔顶高程为194.90 m，塔高41.5 m。进水塔由底部的塔体和上部排架两大部分构成，上部排架的高度为14.3 m，其排架柱的截面为1.2 m×1.2 m，横梁的尺寸为1.5 m×1.2 m；排架的顶层厚度为0.2 m。按照原施工设计，进水塔的塔体和排架均采用C30混凝土。相对于下部结构，进水塔的上部排架无论是结构质量还是结构刚度均较小，是地震应力作用下最容易遭受破坏的部分[3]。显然，在排架结构遭受破坏的背景下，进水塔的正常运行乃至电站的整体安全都将受到严重威胁，因此其抗震结构设计就显得尤为重要[4]。但是，在传统的抗震设计理念下，主要采用的是增加排架结构的强度和截面积，而这种方式不仅难以控制鞭梢效应，还会大幅增加施工成本[5]。基于此，文章提出在排架支柱和塔体之间设置隔橡胶震层的抗震设计思路，并利用有限元数值模拟的方式验证其工程效果。

2 有限元计算模型

2.1 模型的构建

ANSYS 有限元软件是美国ANSYS 公司推出的一款大型商用工程仿真设计软件，具有多种分析功能，在推出之后在岩土力学以及结构分析等方面获得广泛的应用，同时也取得了良好的模拟研究效果。因此，研究中利用ANSYS 有限元软件进行数值计算模型的构建[6]。

研究中结合相关研究成果和工程实际，进水塔结构的整体模型范围为基础的上下游、左右岸以及深度各取一倍塔高。模型的计算计算边界条件为：进水塔的上下游和左右侧面按照施加竖向位移条件，模型的底部按照固定边界条件处理，施加全位移约束，模型的上部为自由边界条件。为了利于模型的构建，以进水塔的前期设计资料为依据，首先利用CAD 软件建立进水塔的整体几何模型，然后在导入ANSYS 有限元软件进行数值计算模型的构建[7]。几何模型以垂直于右岸指向左侧的方向为X 轴正方向，以垂直于X 轴指向上游的方向为Y 轴的正方向，以竖直向上的方向为Z轴正方向。

进水塔的塔体采用六面体实体单元进行网格模型的划分，上部的排架结构则采用梁单元进行模拟，启闭机层以及排架的顶层利用壳单元进行模拟。鉴于有限元软件中并没有用于模拟橡胶隔震垫的单元，因此采用COMBIN14 单元对隔震层的竖向刚度进行模拟，同时利用COMBIN40 单元对隔震层的水平刚度与粘滞阻尼进行模拟研究中假定进水塔的混凝土结构在各向同性的均质弹性连续体[8]。整个模型共划分为12 687 个网格单元，13 986 个计算节点，模型的示意图如图1 所示。

图1 有限元模型示意图

2.2 计算参数

根据新宾县地震资料，胜利水电站坝址区的地震烈度为7 度，主要水工建筑设计地震参数水平加速度为113.7 g，超越概率为10%，特征周期为0.55 s。进水塔所采用的C25 水工混凝土的重度为25.4 kN/m3，性模量为2.8 GPa，泊松比为0.167。此次研究中采用的是GZY600-120 型铅芯橡胶隔震支座，其总高度为18.5 cm，其橡胶和铅芯的直径分别为60 cm和12 cm。结合相关研究和试验资料，隔震支座的等效刚度为2 238 kN/m，剪切模量为0.56 MPa，屈服力为95.3 kN，等效阻尼比为23.5%。

2.3 计算荷载及施加

在进行进水塔结构计算过程中，计算荷载主要包括自重、水重、静水压力、扬压力、浪压力、风压力及地震作用[9]。其中，模型的地基视为无质量单元，混凝土结构的自重按照15.0 kN/m3的重度进行计算；根据进水塔的运行工况，在所有与水接触的面上全部施加静水压力，水的重度取9.8 kN/m3；计算过程中，对进水塔结构底面按照库水位施加扬压力；将浪压力与进水塔的上游面静水压力叠加，施加到上游面；按照《水工建筑物荷载设计规范》计算风压力，并施加到进水塔的水面以上的表面。

在施加过程中，需要同时计入水平和竖向地震作用，根据NB 35047-2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》的规定，应该分别采用拟静力法和振型分解反应谱法计算地震作用，并施加于计算模型。在进行进水塔的动水压力分析中，仅考虑其惯性作用，而不考虑水体可压缩性的影响。鉴于动水压力与水深存在显著关联，因此需要结合水深数据编写不同高程的动水压力函数，并通过等效面力的方式施加于塔体表面。

3 计算结果与分析

3.1 自振周期对比分析

在地震工况下，自振周期是衡量进水塔动力特征的重要指标。研究中，对设置和不设置层间隔震带条件下的自振特征进行计算，获得如图2 所示前20 阶自振频率变化曲线以及图3 所示的前20阶自振周期变化曲线。由图2，3 可知，在设置层间隔震带的工况下，其第1 阶自振周期和频率分别为0.470 1 s 和2.072 2 Hz，第20 阶自振周期和频率分别为0.044 0 s 和18.038 0 Hz；在设置层间隔震带的工况下，其第1阶自振周期和频率分别为0.876 7 s和1.115 3 Hz；第20 阶自振周期和频率分别为0.051 7 s 和15.911 8 Hz。由此可见，设置层间隔震带可以明显降低自振频率，而自振周期也随之明显延长，同时收敛周期相较于不设置层间隔震带工况明显加快。总之，设置层间隔震可以使进水塔结构有效规避主要地震响应频带，从而减轻地震损害。

图2 不同工况前20 阶频率对比图

图3 不同工况前20 阶周期对比图

3.2 位移计算结果分析

对设置层间隔震带和不设置层间隔震带条件下的进水塔在典型部位的位移进行模拟计算，结果如表1 所示。由计算结果可知，无论设置和不设置层间隔震带，进水塔结构的Y 向位移最大，同时随着进水塔结构高程的增加而显著增大，说明进水塔在地震工况下的位移存在十分明显的鞭梢效应。但是，设置层间隔震时的位移值较不设置层间隔震带明显减小，增加的速率也呈现出减缓的趋势。因此，设置层间隔震带虽然不能消除鞭梢效应，但是可以有效控制进水塔在地震条件下的位移，具有较为明显地减震效果。

表1 进水塔典型部位的最大位移量mm

3.3 结构应力计算结果分析

对设置层间隔震带和不设置层间隔震带条件下的进水塔在典型部位的应力进行模拟计算，结果如表2 所示。由表2 中的计算结果可知，设置层间隔震带对减小排架结构的应力值十分有利，其各项应力值均显著小于未设置层间隔震带工况。具体来看，排架结构的轴力会随着高度的增加而减小，但是设置层间隔震带情况下的轴力总体水平较低。从弯矩的计算结果来看，也呈现出基本相似的特点，也就是排架结构的轴力会随着高程的增加而减小，而设置层间隔震带条件下的总体水平较低。从剪力计算结果来看，会随着排架高程的增加呈现出先小幅增加后大幅减小的特点，而设置层间隔震带的剪力水平相对较低。总之，在设置层间隔震带可以有效消散地震能量，降低排架结构的应力水平，减震作用明显。

表2 进水塔排架结构应力最大值MPa

4 结论

此次研究以辽宁省胜利水电站进水塔为例，利用数值模拟的方法对设置和不设置层间隔震两种不同工况在地震条件下进水塔稳定性的影响进行计算研究，并获得如下主要结论：

1）设置层间隔震带可以使进水塔结构有效规避主要地震响应频带，从而减轻地震损害；

2）设置层间隔震带虽然不能消除鞭梢效应，但是可以有效控制进水塔在地震条件下的位移，具有较为明显的减震效果；

3）设置层间隔震带可以有效消散地震能量，降低排架结构的应力水平，减震作用明显；

4）综上，在设置层间减震可以获得良好的减震效果，建议在工程设计中采用。