基于反应谱法的岸塔式进水塔抗震稳定性分析

刘 浩

(临沂市罗庄区水务局，山东 临沂 276017)

1 概 述

进水塔作为水利枢纽的一个重要组成部分，其安全稳定有着重要意义。由于我国西南部地区地形复杂且处于地震多发带，结构抗震问题突出。进水塔一旦受到震动破坏将严重影响水电站的正常运行和经济效益，因此对进水塔进行结构抗震计算十分必要。如张汉云等[1]对比研究了新老标准规范谱特性变化对进水塔增量动力分析结果的影响；程汉昆[2]采用有限单元法分析了某岸塔式进水塔在设计地震及校核地震作用下的动力响应；赵晓红等[3]基于有限元软件ANSYS对某高耸进水塔在地震作用下的稳定性进行了研究；王俊等[4]基于有限元软件ANSYS对古水水电站进水塔在静动力作用下的位移和应力结果进行了分析；刘云贺等[5]对比研究了黏弹性边界与无质量地基情况下的某高耸进水塔动力响应结果；柳树摇等[6]基于有限元法得到拉拉山水电站进水塔在地震作用下的动位移和动应力结果。本文采用大型有限元软件ABAQUS，建立某岸塔式进水塔三维有限元模型，基于反应谱法分析该进水塔在给定地震荷载下的应力分布规律，并提出相应的加固处理措施。

2 计算模型

某水电站采用的是岸塔式进水口。进水口底板高程为2 794.00 m，塔顶高程为2 902.00 m。塔高108.00 m，单个顺水流方向长度为34.58 m，垂直于水流方向宽度为31.40 m。塔背与山体之间有回填混凝土，回填混凝土高程为2 818.00～2 857.00 m，回填高度为39.00 m。

2.1 坐标系的说明

图1中，取左侧进水塔左边墩的左侧外表面、迎水面以及底板上表面三面的交点作为坐标原点。X轴为竖直方向，向上为正；Y轴为沿水平方向且垂直于水流方向，向右为正；Z轴为水平方向，顺水流方向，指向下游为正。

图1 水电站进水塔三维有限元模型

2.2 计算范围

塔体部分：下部边界取至底板下表面，高程为2 788 m；上部边界取至塔顶盖板，高程为2 902 m；计算总模拟高度为114 m。

地基部分：向上游延伸107 m，向下游延伸158 m，左右两侧分别取塔体的5倍单宽，地基深度为278 m。

2.3 网格划分

本次计算采用ABAQUS的C3D8八节点六面体实体单元，计算模型共有61 969个单元，79 065个节点。

2.4 边界条件

地基的四周表面采用法向约束，地基的下表面进行全约束。

进水塔及地基的整体三维有限元模型见图1，计算采用的材料参数见表1。

表1 材料力学性能表

3 反应谱曲线的确定

设计反应谱根据场地类别，按照《水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047-2015)中要求βmax=2.25，Tg=0.30 s，水平向峰值加速度αmax=0.2 g，阻尼比为0.05生成标准反应谱，见图2。

4 动力响应计算结果分析

在正常蓄水位的情况下，动水压力以附加质量的形式进行处理。在各阶振型的地震作用效应组合有绝对值法(SUM=ABS)、完全二次型方根法(SUM=CQC)、平方和根法(SUM=SRSS)，本文采用平方和方根法(SUM=SRSS)。进水塔进行水平的Y向和Z向以及竖向的X向地震激励，也要进行方向上的效应组合。组合方法有代数和法(COMP=ALGEBRAIC)和平方和方根法(SUM=SRSS)。如果采用代数和法，首先进行方向作用效应组合，然后进行模态叠加；如果采用平方和方根法，首先进行模态叠加，再进行方向作用效应的组合。本文中，各阶振型地震作用效应采用平方和方根法(SUM=SRSS)组合，各方向上地震作用效应分别采用了代数和法(COMP=ALGEBRAIC)和平方和方根法(SUM=SRSS)。两种方法进行比较，并得出相应的结论。

4.1 代数和法动力计算结果分析

1) 主应力包络分布图见图3。在主应力包络图中可以看出，最大拉应力出现在塔体的回填混凝土顶部高程位置最大值为2.337 MPa。最大压应力出现在底板底部，最大值为2.458 MPa。

图3 主应力包络图(代数和法)

2) 竖直(X)方向应力分布见图4。在X向激振作用下，进水塔的结构应力主要出现在塔身与回填混凝土顶部相连接的地方，其最大值为2.462 MPa。并且随着高度的上升和下降，拉应力值逐渐减小；到进水塔顶中上部以及底板的时候，拉应力转变为压应力，其最大值为0.230 MPa。

图4 X向应力包络图(代数和法)

3) 垂直于水流(Y)方向应力分布见图5。Y向激振作用下，进水塔结构应力主要出现在中墩与连系梁相连的位置以及连系梁上，拉应力最大值为0.905 8 MPa。这是因为整体结构自振时，中墩与塔体后部刚度特性不一致，相较起来比较小，中墩摆动幅度较大，塔体变形幅度小，中墩变形幅度较大。而中墩与塔体之间有连系梁相连以此来协调变位，使得连系梁上应力比较大。

图5 Y向应力包络图(代数和法)

4) 顺水流(Z)方向应力分布见图6。在Z向激振的作用下，进水塔的应力主要集中在进水塔背部高程2 857 m位置(即回填混凝土顶部高程位置)。最大拉应力为1.572 MPa，其余部位表现为受压。主要是因为塔体背后回填混凝土的刚度与塔身刚度相差较大，回填混凝土振幅较大，导致该部位应力较大。同时，在塔顶处塔的前后两部分连接的地方也出现了较大的拉应力。

图6 Z向应力包络图(代数和法)

4.2 平方和方根法动力计算结果分析

1) 主应力包络图分布见图7。在图7中可以看出，在各方向上分别采用平方和方根法(SUM=SRSS)组合的情况下，最大的应力值也是出现在塔体的底板与其上部连接的位置，其值为2.317 MPa。

图7 主应力包络图(平方和方根法)

2) 竖直(X)方向应力分布见图8。其最大值为2.406 MPa，也是出现在塔体的底板与其上部连接的位置。并且随着高度的上升，拉应力值逐渐减小；到进水塔顶中上部的时候，拉应力转变为压应力，其最大值为0.211 9 MPa。

图8 X向应力包络图(平方和方根法)

3) 垂直于水流(Y)方向应力分布见图9。Y向激振作用下，进水塔结构应力主要出现在中墩与横向连系梁相连的位置以及横向连系梁上，拉应力最大值为0.948 8 MPa。边墩以及其他部位表现为压应力，最大值为1.818 MPa。这是因为整体结构自振时，中墩与塔体后部刚度特性不一致，相较起来比较小，中墩摆动幅度较大，塔体变形幅度小，中墩变形幅度较大。而中墩与塔体之间有连系梁相连以此来协调变位，使得连系梁上应力比较大。

图9 Y向应力包络图(平方和方根法)

4) 顺水流(Z)方向应力分布见图10。在Z向激振的作用下，进水塔的应力主要集中在纵向连系梁上即中墩与塔身后方相连接的连系梁。最大拉应力为1.567 MPa，其余部位表现为受压。主要是因为塔体中墩与塔体后部在顺水流方向变形大小不一致，中墩的刚度较小，变形量较大；进水塔后部刚度较大，变形较小，因此纵向连系梁上会出现拉应力较大。

图10 Z向应力包络图(平方和方根法)

从以上分析结果可以看出，SRSS/ALGEBRAIC与SRSS/SRSS的结果几乎相差无几，由此验证了计算结果的准确性与合理性。

5 结 论

本文主要基于反应谱法对某水电站进水塔进行了动力稳定性分析，主要结论如下：

1) 进水塔回填混凝土高程位置出现了最大值为2.337 MPa的拉应力。建议选取合适的回填高程，并加强回填高程附近的配筋。

2) 底部、纵向连系梁、横连系梁应力比较大，塔体部位应力较小。在设计过程中，建议增强连系梁的配筋。