地震作用下进水塔上部混凝土排架型钢截面形式优选研究

孟祥东

（营口海河水利监理有限公司，辽宁 营口 115000）

1 工程概况

清原抽水蓄能电站位于辽宁省抚顺市清原满族自治县北三家乡境内，属于Ⅰ等大（1）型水利工程[1]。其上水库位于清原县摩离红三东侧摩离红沟沟首，下水库位于浑河右岸的支流大冲沟内，电站的输水系统以及地下厂房系统布置在小石英沟和大石英沟之间的山梁内[2]。清原抽水蓄能电站安装有6台单机容量为300 MW 的单机混流可逆式水泵水轮机组，额定水头高度为390 m，设计装机容量为1800 MW，年发电量为30.11 亿kW·h，年利用小时数为2231 h。电站的上水库为混凝土面板堆石坝，设计洪水标准为200 年一遇，校核洪水标准为2000年一遇。上水库的正常蓄水位为725 m，死水位为695 m，正常蓄水位对应的库容为1433万m3[3]。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，其基建面高程为685 m，塔顶高程为740.5 m，排架顶高程为764.3 m，总塔高为79.3 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24.3 m，排架柱截面为1.2 m×1.2 m，横梁尺寸为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[4]。显然，在排架结构遭受破坏的情况下，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[5]。基于此，本次研究试图通过数值模拟的方式，对地震作用下的混凝土排架型钢截面形式进行优选研究，以便为工程设计提供必要的借鉴和支持。

2 有限元计算模型的构建

2.1 模型的构建

ANSYS 有限元软件是一款大型商用工程仿真设计软件，具有多种分析功能，推出之后在岩土力学以及结构分析等方面获得广泛地应用，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]。

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1 倍塔高。模型的计算边界条件为：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划分，上部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，研究中假定进水塔的混凝土结构为各向同性的均质弹性连续体[8]。整个模型共划分为162 555 个网格单元，150 010个计算节点，模型示意图如图1所示。

图1 进水塔整体有限元模型示意图

2.2 荷载的施加

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、风压力以及地震作用[9]。其中，模型的地基视为无质量单元，混凝土结构的重度按25.0 kN/m3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《水工建筑物荷载设计规范》（SL744-2016）计算风压力，并施加到进水塔的水面以上的表面。

地震荷载包括地震惯性力和地震动水压力。根据坝址区的地震资料，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 gal，超越概率为10%，特征周期为0.55 s。在施加过程中需要同时计入水平和竖向地震作用，根据《水电工程水工建筑物抗震设计规范》（NB35047-2015）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。

2.3 计算方案

在研究中保持7%的配钢量不变，设计了H型、十字型和方形3种不同的混凝土柱排架型钢截面形式，并利用数值模拟计算的方式，进行正常蓄水位遭遇地震条件下的动力计算分析，以获取最优的结构设计方案。

3 计算结果与分析

3.1 位移计算结果与分析

在地震作用下，只有进水塔的整体结构不发生较大的位移变形，才能保证其稳定运行。鉴于进水塔上部排架的高度较大，不同高程的位移特征可能有所不同，因此分别选择排架圈梁第四层（进水塔顶层）、圈梁第三层（启闭机层以及塔体顶面和排架底面的相交处）、圈梁第一层混凝土柱关键节点的位移最大值，对不同混凝土柱排架型钢截面形式下的位移特征进行对比分析，且分析仅针对混凝土单元进行，不包括型钢的应力。利用构建的有限元模型，对不同方案下的型钢混凝土排架结构位移进行计算，并提取出各向位移的最大值，结果如表1 所示。由表1可知，在3种不同的计算方案下，进水塔的变形主要表现为剪切变形，从而使进水塔上部的排架结构以刚体平动为主，并具有比较显著的鞭梢效应。随着进水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈现出增大的趋势。主要原因是上部排架结构会受到自重作用的显著影响。另一方面，由于进水塔上部的排架结构在地震应力作用下会受到较大的水平荷载影响，因此X向位移和Y向位移明显大于Z向位移。因此，需要利用内部型钢的刚度对排架水平强度需求进行弥补。从3种不同的设计方案位移对比结果来看，H 型结构的位移量最大，十字型结构次之，方形结构的位移量最小。以变形量最大的圈梁第四层来看，采用方形结构形式时的X向、Y向和Z向最大位移量分别为22.2、12.3和3.7 mm，与H 型结构相比分别减小15.9%、12.1%和15.9%；与十字型结构相比分别减小11.2%、8.2%和11.9%。由此可见，进水塔上部混凝土排架型钢采用方形截面结构更有利于地震条件下的进水塔结构位移控制。

表1 排架关键部位位移计算结果 mm

3.2 应力计算结果与分析

在地震作用下，排架结构的上部容易发生破坏，在圈梁第三层和第一层往往存在较大的应力分布。因此，选择排架圈梁第四层、圈梁第三层和圈梁第一层混凝土柱关键节点的X向应力（Sx）、Y向应力（Sy）、Z向应力（Sz）、第一主应力（S1）以及第三主应力（S3）进行对比分析。利用构建的模型对不同方案下的结构应力进行计算，结果如表2 所示。由表2可以看出，随着排架高程的不断增加，各应力值呈现不断减小的趋势。究其原因，主要是排架结构可视为悬臂梁，其剪力和弯矩往往会集中于结构的底部。同时，由于排架的混凝土柱和梁的连接部位拉应力较大，因此在后续的结构设计中应该加强该部位的配筋。从不同方案的对比来看，应力水平最高的是H 型结构、其次是十字型结构，应力水平最低的是方形结构。以应力水平最高的圈梁第一层为例，方形结构的X向应力、Y向应力、Z向应力、第一主应力以及第三主应力最大值分别为2.41、2.33、7.56、8.10 和10.01 MPa，与H 型结构方案相比分别减小了15.7%、24.4%、19.4%、26.4%和8.67%，与十字型方案相比分别减小了8.71%、6.80%、12.5%、17.8%和3.75%。由此可见，进水塔上部混凝土排架型钢采用方形截面结构更有利于地震条件下的进水塔结构应力的控制。

表2 排架关键部位应力计算结果MPa

4 结论

本文以清原抽水蓄能电站进水塔为例，利用数值模拟的方式进行了地震作用下进水塔上部混凝土排架型钢截面形式优选研究，获得的主要结论如下：

（1）进水塔的变形主要表现为剪切变形，随着进水塔排架部位高程的增加，各向位移的最大值都呈现出增大的趋势。从不同的设计方案位移对比结果来看，H 型结构的位移量最大，十字型结构次之，方形结构的位移量最小。

（2）随着排架高程的不断增加，各应力值呈现出不断减小的趋势。从不同方案的对比来看，应力水平最高的是H 型结构、其次是十字型结构，应力水平最低的是方形结构。

（3）综合本文研究成果，方形截面方案的位移量最小，应力水平最低，为最佳设计方案，建议在工程设计中采用。