基于时程分析法的进水塔连系梁结构动力响应

王 雨，李守义

（西安理工大学，陕西 西安 710048）

常见的进水塔［1］一般多为高耸且独立的建筑物，在地震荷载作用下容易产生大变形和破坏，特别是连接拦污栅墩的横梁和连接塔体的纵梁刚度较低，是塔体的薄弱部位，容易产生过大的拉压应力，不仅会使自身结构发生破坏，而且会导致拦污栅墩破坏［2－7］。 因此，连系梁的安全问题至关重要。 曹征良［8］认为随着地震作用的不断增强，混凝土连系梁通过逐步裂开，使地震能量得到有效耗散。 这种类型的连系梁结构对高层建筑［9］的动力响应是有益的。 刘畅等［10］认为增大连系梁宽度能够有效提高连系梁的承载能力，与相同抗弯刚度的普通连系梁相比，其延性与耗能能力明显增强，这有利于高层结构的抗震。 宋珊珊［11］认为在连系梁间增加斜拉梁结构可减轻连系梁在地震荷载作用下的破坏程度，其在抗震方面体现出优越性。

上述对地震作用下连系梁的研究证明了连系梁对整体建筑物的抗震安全影响较大，又由于现有关于连系梁的研究多基于桥梁建筑工程，而针对自身具有特殊性且受力较为复杂的高耸进水塔结构的研究较少，因此有必要专门研究高耸进水塔连系梁结构的稳定性与安全性。 本文依托某实际工程，采用时程分析法［12］，研究进水塔连系梁不同截面形式、尺寸对进水塔关键部位应力和位移的影响，为高耸进水塔的连系梁结构设计提供参考。

1 工程概况与计算模型

1.1 工程概况

某大型水利工程进水塔底板高程为607 m，顶部高程为683 m，最大塔高76 m，塔宽29 m（垂直水流方向），塔长30 m（顺水流方向）。 塔体进水口设4 个拦污栅，尺寸为2.5 m×76 m（宽×高）。 在垂直水流方向上横梁连接着拦污栅墩，在顺水流方向上纵梁连接着拦污栅墩与进水塔上游胸墙，进水塔关键部位如图1 所示。

图1 进水塔关键部位示意

1.2 材料力学参数与有限元模型

进水塔体有限元计算采用弹塑性损伤模型。 该模型是根据《混凝土结构设计规范》［13］给出的混凝土单轴应力与应变关系曲线，结合Najar 的损伤理论计算混凝土的损伤因子所建立的［14－16］。 然后使用有限元分析软件ABAQUS 所附带的混凝土损伤塑性材料模型去实现。

根据进水塔的基本尺寸，数值模拟分析的对象［17－18］为全部塔体和塔底1 倍塔高范围内的地基，以指向水流下游方向为X轴正方向，以垂直水流指向右岸为Z轴正方向，以垂直向上为Y轴正方向，建立塔体－回填－地基三维有限元模型，如图2 所示。

图2 进水塔整体有限元模型

1.3 荷载施加

计算荷载包括自重、静水压力、扬压力、动水压力、地震荷载。 其中动水压力的施加方法采取附加质量法［19－20］，地基假定为无质量地基，地震波采用EL Centro 波，峰值加速度根据工程的抗震设防标准取0.474g，对塔体同时施加3 个方向的地震作用，即顺水流方向、垂直水流方向以及竖直方向。 设计人工地震波如图3 所示。

图3 设计人工地震波

2 研究内容

采用时程分析法对动力荷载作用下进水塔连系梁结构的截面形式及截面尺寸进行不同方案的计算分析，研究进水塔关键部位的应力、变形及其变化规律。

方案一：纵梁和横梁截面宽度均为1.1 m，高度由1.1 m 按0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m 逐渐加高，其截面形式见图4（a）。

方案二：纵梁和横梁截面宽度均为1.1 m，跨中截面高度为1.1 m，端部截面高度按0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7 m 逐渐加高，其截面形式见图4（b）。

图4 连系梁截面形式

3 结果分析

3.1 连系梁高度对进水塔关键部位的影响

3.1.1 横梁高度变化

方案一不同横梁高度下进水塔结构关键部位应力与位移见表1。 由表1 可知：随着横梁高度的增大，横梁轴向最大拉应力由14.7 MPa 减小到9.8 MPa，减小33.3%；拦污栅墩最大主应力减小幅度较小，应力变化值为0.3 MPa；纵梁轴向最大拉应力由9.6 MPa 增大到11.9 MPa，增大24.0%。 根据表1 中拦污栅墩的位移可知，随着横梁高度的增大，拦污栅墩Z向位移由34.2 cm减小到27.0 cm，减小21.1%；拦污栅墩X、Y向位移减小幅度较小，位移变化值不大于0.5 cm。

表1 方案一不同横梁高度下进水塔结构关键部位应力与位移

可以看出，随着横梁截面高度的增大，横梁的刚度越来越大，不仅减小了横梁自身的轴向拉应力，而且其对拦污栅墩的约束作用增强，减小了拦污栅墩垂直水流方向的位移。 然而，横梁截面面积的增大导致横梁质量增大，在地震作用下横梁的惯性力增大，驱使着进水塔体向前倾斜，从而使得纵梁的轴向拉应力增大。

3.1.2 纵梁高度变化

方案一不同纵梁高度下进水塔关键部位的应力和位移见表2。 由表2 可知：随着纵梁高度的增大，纵梁轴向最大拉应力由8.7 MPa 增大到11.7 MPa，增大34.4%；纵梁与胸墙连接部位的最大主应力由5.8 MPa增大到7.4 MPa，增大27.5%；拦污栅墩最大主应力由7.5 MPa 减小到6.9 MPa，减小8.0%；横梁轴向最大拉应力由10.5 MPa 减小到10.2 MPa，减小幅度略小。 随着纵梁高度的增大，拦污栅墩X向位移由34.6 cm 减小到31.6 cm，减小8.7%；拦污栅墩Y、Z向位移减小幅度较小。

表2 方案一不同纵梁高度下进水塔关键部位的应力和位移

可以看出：随着纵梁截面高度的增大，纵梁的刚度不断增大，又由于纵梁连接着塔体与拦污栅墩，其变形幅度较小，因此纵梁刚度不断增大的过程中，纵梁轴向拉应力不断增大，与胸墙连接部位最大主应力增大，而拦污栅墩位移稍有减小，不仅减小了自身主拉应力，而且使横梁轴向最大拉应力小幅度减小。

3.2 连系梁端部高度变化对进水塔关键部位的影响3.2.1 横梁端部高度变化

方案二不同横梁端部高度下进水塔关键部位的应力和位移见表3。 由表3 可知：随着横梁端部高度的不断增大，横梁轴向最大拉应力由14.7 MPa 减小到11.6 MPa，减小21.1%；纵梁轴向最大拉应力由9.6 MPa 增大到11.1 MPa，增大15.6%；拦污栅墩最大主应力减小幅度较小。 随着横梁端部高度的不断增大，拦污栅墩Z向位移由34.2 cm 降低到28.9 m，降低15.5%，拦污栅墩X、Y向位移减小幅度较小。

表3 方案二不同横梁端部高度下进水塔关键部位的应力和位移

可以看出：横梁增设切角增大了横梁与拦污栅墩接触面的面积，使得横梁与拦污栅墩整体的刚度增大，不仅使横梁自身轴向拉应力不断减小，而且一定程度约束了拦污栅墩，减小了拦污栅墩的位移。 然而在地震作用下，横梁增设切角后质量增大，导致横梁惯性力增大，驱使着进水塔体向前倾斜，从而使得纵梁轴向拉应力增大。

3.2.2 纵梁端部高度变化

方案二不同纵梁端部高度下进水塔关键部位的应力和位移见表4。 由表4 可知，随着纵梁端部高度的不断增大，纵梁轴向最大拉应力由8.7 MPa 降低到8.0 MPa，降低8.1%；与胸墙连接部位的最大主应力由5.8 MPa 减小到5.0 MPa，减小13.8%；拦污栅墩最大主应力由7.5 MPa 减小到6.9 MPa，减小8.0%；横梁轴向最大拉应力由10.5 MPa 减小到9.9 MPa，减小幅度较小。随着纵梁增设抛物线形切角高度的不断增大，拦污栅墩X向位移由34.6 cm 降低到31.4 cm，降低9.3%，拦污栅墩Y、Z向位移减小幅度较小。

可以看出：对纵梁端部增设切角增大了纵梁端部刚度，又由于纵梁最大主应力主要集中在其端部位置，因此随着增设切角截面高度的不断增大，纵梁端部的刚度不断增大，纵梁自身轴向拉应力则越来越小，与胸墙连接部位的应力也越来越小，而拦污栅墩位移稍有减小，减小了自身主拉应力的同时，也使横梁轴向最大拉应力略有减小。

4 结论

本文采用时程分析法，研究了动力荷载作用下高耸进水塔连系梁结构的截面形式与截面尺寸对进水塔关键部位应力和位移的影响，得到以下结论。

（1）增大横梁整体截面高度，减小了横梁轴向拉应力，减小了拦污栅墩垂直水流方向的位移，小幅度增大了纵梁轴向拉应力，故横梁尺寸增大对于进水塔的结构稳定是有利的；增大纵梁整体截面高度，显著增大了纵梁本身的轴向拉应力，以及与胸墙连接部位的最大拉应力，故纵梁尺寸增大对于进水塔结构整体的安全是不利的。

（2）增大横梁端部截面高度，减小了横梁本身的轴向拉应力，减小了拦污栅墩垂直水流方向的位移，小幅度增大了纵梁轴向拉应力，这与增大横梁整体截面尺寸效果相同；增大纵梁端部截面高度，降低了纵梁轴向拉应力、与胸墙连接部位最大拉应力，故纵梁端部截面高度适当增大对减小拦污栅墩连系梁体系的拉应力有一定的效果。

对于高耸进水塔连系梁结构的截面形式与截面尺寸的计算结果进行分析之后发现，增大横梁端部的截面高度与增大横梁整体的截面高度效果类似，可以一定程度减少混凝土用量；增大纵梁端部截面高度有利于进水塔拦污栅墩连系梁结构的安全。