水电站厂房不同支座方案耗能减震分析

孔家梦

（华北水利水电大学土木与交通学院，河南 郑州 450045）

0 引言

从大量地震震后调查结果来看，地震对水电站厂房的影响主要是上部结构，水电站厂房上部结构主要是钢筋混凝土梁、柱、墙构成的框架结构，相对于下部结构而言较单薄。张汉云等［1］以某水电站地面厂房为例，研究了厂房上部结构在地震中的鞭梢效应，分别建立了整体模型、下部模型和上部模型。结果表明：上下部结构连接的位置可能出现较大的动应力，是上部结构的抗震薄弱部位。马涛等［2］对某引水式半地面水电站厂房不同网架结构型式进行静力和动力分析并进行比较，结果表明：对于大跨度的水电站厂房结构，从受力方面考虑，推荐使用轻质网架结构屋顶型式。

郝军刚等［3］利用ABAQUS 研究罕遇地震作用下厂房结构的破坏模式，发现屋顶网架抗震性能相对于混凝土结构较差，在罕遇地震下其动应力非常突出，存在垮塌的风险，水电站厂房的抗震设计中应该充分重视屋顶网架与上下游墙、柱的连接方式。水电站厂房屋顶网架支座是连接屋顶网架结构和下部墙柱结构的重要构件，且屋顶网架支座承担着将屋顶荷载传递给支座下部墙柱结构的作用。虽然支座在整个水电站厂房结构实际工程造价中所占的比例较小，但是不同的支座型式由于约束条件的差异使得屋架对墙柱产生的水平推拉力不尽相同，从而直接影响墙柱的结构设计，也在一定程度上影响结构的安全性，故研究网架结构与上下游之间的连接是非常必要的。

黑灿等［4］运用ANSYS 软件建立了5种模拟网架结构有限元模型，计算了厂房的自振特性和机组振动荷载作用下的响应，结果表明：网架与下部支承结构简支连接比铰支连接的抗震性能更好。郭鸿儒［5］通过对某一工程实例水电站厂房端部进行研究，对比网架与上部结构之间设置铰支座和橡胶支座两种方案，并进行动力分析，但其没有考虑厂房基础整体作用及双向地震的影响。陈鹏等［6］以桑河二级水电站工程为例，采用ANSYS 有限元软件，对固定铰接支座与橡胶支座进行了静力荷载分析，但没有考虑地震的影响。景月岭等［7］建立坝后式水电站厂房模型，通过对比在地震作用下连接水电站厂房顶的空间网架和下部结构时带锚栓的板式橡胶支座、铅芯橡胶支座和铰支座3 个方案对厂房上部结构的减震影响，结果表明：铅芯橡胶支座的减震效果最好。

本研究以某岸边式水电站厂房为例，建立厂房-地基整体模型，对比分析在双向地震波的作用下铰支座、铅芯橡胶支座以及高阻尼橡胶支座对厂房排架柱的耗能减震影响。

1 工程概况及有限元模型

某水电站地面厂房顺河向长39 m，单个机组段宽18 m，高38.4 m。以一个中间标准机组段为研究对象建立整体有限元模型，模型包括厂房和地基，基岩范围由厂房向上、下游侧及深度方向各取一倍的厂房高度，具体如图1 所示。整体坐标系选取x方向为横河向，y方向为顺河向，z方向为竖直向。在计算范围内，对主厂房上下游排架柱、机墩、蜗壳以及尾水管外围混凝土等均按实际尺寸进行模拟，网架采用梁单元模拟，混凝土和垫层采用实体单元，机组重量采用质量单元模拟在相应位置。

图1 厂房有限元模型

1.1 支座的模拟

铰接支座一般采用节点耦合的方式实现。铅芯橡胶支座水平向采用combin40单元模拟，竖向采用combin14 单元模拟。高阻尼橡胶支座水平向采用combin39 单元模拟，竖向采用combin14 单元模拟。

1.2 地震波的生成

本厂房所处位置位于设防烈度8 度区，地震动峰值加速度为0.2g。根据《水工建筑物抗震设计标准》（GB 51247—2018）［8］中的规定选取标准反应谱。考虑到目前在结构抗震设计中核算截面强度时采用的设计地震系数都为设计烈度对应值的35%，即为0.07g。本研究计算时在顺河向和竖向施加地震作用，边界条件为底边固定，四周法向约束。地震波加速度时程如图2所示。

图2 地震波加速度时程

2 自振频率分析

按不同的支座型式构成三种有限元模型，经过模态分析得到其前10阶自振频率，如表1所示。

表1 三种方案自振频率对比

由表1 中数据对比可以看出，当采用铅芯橡胶支座时，厂房结构自振频率平均比铰接支座低24.1%；当采用高阻尼橡胶支座时，厂房自振频率平均比铰支座低29.8%。比较铅芯橡胶支座方案和高阻尼橡胶支座方案可以得出，两种方案下厂房上部结构固有频率差别很小，高阻尼橡胶支座方案仅比铅芯橡胶支座方案平均低8.3%。从模态分析来看，设置橡胶支座以后，结构的各阶频率整体上呈降低趋势，自振周期延长，在地震作用下对结构起到一定的保护作用。

3 位移、应力分析

3.1 位移分析

在双向地震中，y向的位移最大，故只对比分析y向三种方案的时程位移及柱顶柱底第一主拉应力。取上、下游柱的柱顶、柱底以及网架中间节点进行对比分析。由于柱顶是位移最大的地方，且各节点时程位移曲线图大致趋势一致，故只展示三种不同支座下其中一个节点的位移时程曲线图。图3为三种方案中间柱上游节点的位移时程曲线图。

图3（a）为铰接支座下节点1131 的位移时程曲线图，可以看出随着地震波时间的推移，柱顶的位移是逐渐增大的，最大达到36.4 mm。这是因为铰接支座下无论是水平刚度还是竖向刚度都是最大的，这导致其在地震作用下吸能耗能效果差。图3（b）与图3（c）分别为铅芯橡胶支座和高阻尼橡胶支座下节点1131 的位移时程曲线图，可以看出，铅芯橡胶支座下位移大部分位于-8～8 mm，高阻尼橡胶支座下位移大部分位于-10～10 mm，最大位移分别为20.9 mm和21.6 mm。

对于上游节点与网架节点来说，铰支座的位移明显大于其他两个橡胶支座的位移。由图3 可得，采用铅芯橡胶支座的最大动位移比铰接支座的最大动位移小42.6%，采用高阻尼橡胶支座的最大动位移比铰接支座的最大动位移小42.6%。而对于下游节点，从整体来看，橡胶支座的位移时程变化优于铰接支座，但是从最大动位移来看，橡胶支座的最大动位移要稍高于铰接支座。故上游采用橡胶支座效果好，其中铅芯橡胶支座最大动位移小于高阻尼橡胶支座，下游采用橡胶支座效果不太明显。综合以上结论可得，采用铅芯橡胶支座效果最好。

图3 上游中间节点1331位移时程曲线

3.2 应力分析

图4为上下游柱顶以及柱底各节点的最大第一主拉应力。图4（a）为柱顶节点的第一主拉应力峰值图，由图4（a）可知，铰接支座下节点的第一主拉应力峰值均超过1 MPa，而采用橡胶支座后节点的第一主拉应力峰值都不超过0.4 MPa。由此可得，对于柱顶节点，采用橡胶支座可大大降低第一主拉应力峰值。图4（b）为柱底节点的第一主拉应力峰值图，对于上游柱底节点来说，三种方案下的第一主拉应力峰值相差不大，铅芯橡胶支座方案下的第一主拉应力峰值是最小的。而对于下游节点，橡胶支座方案的第一主拉应力峰值高于铰支座方案，其中节点4785 的高阻尼橡胶支座方案比铰接支座方案高89%。这是因为下游柱底与副厂房相连导致应力增大。由图4可得，除了下游侧柱底外，铅芯橡胶支座方案排架柱的其余部位均是最安全的。从各支座方案对比综合考虑，铅芯橡胶支座效果最好。

图4 上下游柱各节点第一主拉应力

4 结语

应用有限元软件ANSYS 对岸边式水电站厂房铰接支座、铅芯橡胶支座以及高阻尼橡胶支座进行模拟，对比不同支座型式下结构的自振特性和结构的受力、变形。结果表明，在地震作用下采用铰支座响应最大，采用铅芯橡胶支座可以有效降低钢网架对柱产生的水平推拉力和柱顶变位值，但对下游柱底第一主拉应力作用不太明显。这主要是由于厂房结构的自身特点造成的。综合考虑，铅芯橡胶支座的耗能减震效果最好。