材料老化对水闸抗震性能的影响分析

宋 辉

（河北省子牙河河务中心,河北 衡水 053000）

1 前言

水闸是重要水工建筑物,由于其长期受到水压力、自重、外力的长期作用,结构材料发生疲劳腐蚀破坏,尤其在突发地震时,周围土体将带动水闸结构发生大幅振动,导致水闸结构开裂,无法正常运行[1-3]。目前针对水闸抗震性能的研究,主要集中在建闸地基土体性质、水闸结构布置及地震波种类等方面。研究发现,周围土体及地基对水闸结构的动力响应行为起到放大作用,导致闸室底板将产生较大的拉应力和压应力,威胁水闸结构安全[4-5]。修建在不同性质地基上的水闸,动力响应规律均有所不同,地基刚度越大,地震效应越弱[6-8]。在闸室底板下合理设置桩基可以对地基土起到挤密、压实的作用,减小闸室沉降,改善结构的应力分布[9-10]；使用振冲碎石桩可以减小地基土体的孔隙水压力,有效防止砂土地基受震发生液化,进一步增强水闸的抗震性能[11-12]。将水闸进行对称布置,同时减小水闸上部结构高度,加固检修桥等水闸横向联系结构,也有利于增强水闸抗震能力[13-14]。

随着建筑材料的发展,轻骨料混凝土由于自重轻、刚度大,且具有很好的抗裂性和延展性,被广泛应用于各类建筑工程领域[15]。而目前,鲜有水闸建筑材料特性对结构抗震性能影响的研究。本文采用有限元法,分析水平向及纵向地震波作用下,采用不同密度及弹性模量混凝土水闸的动力响应规律。

2 工程概况

水闸为三孔钢筋混凝土河道进水闸,闸孔净宽6 m,高3.5 m,闸室宽21.6 m,长10.8 m,边墩及中墩宽1 m,闸室底板厚0.6 m,闸墩上设有启闭机桥、检修桥及公路桥,上游进水段长8 m,下游消力池段长10 m。水闸平面布置图和剖面图见图1、图2。

图1 水闸平面布置图

图2 水闸纵剖面图

闸室两侧岸坡为素填土,闸室置于粗砂软弱地基上,粗砂层厚8 m,下部为强风化岩体。闸室地基采用振冲碎石桩进行加固处理,桩径为0.6 m,等间距布桩,桩间距1.8 m,桩长为6 m,顺河道方向设置6 排,垂直河道方向设置12 排。

3 计算模型及原理

3.1 有限元模型

有限元计算模型见图3,模型均采用三维实体单元,闸室结构及桩基础单元采用弹性本构模型,其余土体单元采用摩尔库伦本构模型,材料计算参数见表1。

表1 材料物理力学特性

图3 模型有限元计算网格

3.2 特征值分析

在进行动力时程分析前,需对模型自振特性进行计算,即进行模型的特征值分析。在保证精度符合要求的情况下,为便于计算,本文共设置10 个计算振型,用于获取模型最大质量参与比例对应的振动周期。同时,为避免地震波在模型边界发生反射,影响计算结果的准确性,在地基四周采用自由场边界,用于模拟无限远处土体；在模型底部采用固定端边界,用于模拟模型与底部基岩的连接。

3.3 地震荷载设置

本文采用Kobe 波作为本次计算输入的地震波,地震时程设置为20 s,输入方向分别沿X 轴（顺河向）、Y 轴（横河向）、Z 轴（竖向）,地震波时程加速度见图4。

图4 Kobe 波加速度时程

4 地震波作用下水闸动力响应规律

4.1 水闸最大相对位移分析

图5 为不同向地震波作用下水闸最大相对位移云图。由图可知,横河向地震波对水闸最大相对位移值影响最大,纵向地震波次之,顺河向地震波最小。在横河向波及顺河向波作用下,水闸最大相对位移均出现在启闭机架顶部,特别是当横河向波作用时,启闭机架最大相对位移达到了12.99 cm,水闸闸室、上游进水段及消力池段相对位移集中在10 cm 左右。纵向地震波作用时,水闸最大相对位移出现在公路桥下游侧及消力池与闸室连接处,最大值为6.82 cm,其余结构的最大相对位移值大部分集中在6.59 cm～6.47 cm。

图5 不同向地震波作用下水闸最大相对位移

4.2 水闸最大拉应力分析

图6 不同向地震波作用下水闸最大拉应力云图。从图中可以看出,地震波作用时,水闸结构最大拉应力值相对静力作用下均大幅增加,不同方向地震波作用下水闸最大拉应力基本出现在启闭机架立柱端部及中墩与检修桥、公路桥、闸室底板的连接位置。在横河向及顺河向地震波作用下,水闸最大拉应力出现在启闭机立柱的顶部和底部,分别为27.73 MPa 和26.27 MPa；在纵向地震波作用下,水闸最大拉应力分布与静力荷载作用下类似,最大拉应力值出现在检修桥与中墩的连接处,为31.39 MPa。

图6 不同向地震波作用下水闸最大拉应力

从以上分析可以得出,水闸高度越高,抗震性能越差；中墩与启闭机桥、检修桥、公路桥、闸室底板连接位置为水闸结构抗震的薄弱环节。水闸在横河向的刚度最小,在横河向地震波作用下,水闸与两侧岸坡土体相互挤压作用,因此结构易发生破坏。

5 混凝土材料特性对水闸抗震性能的影响分析

根据分析可知,在横河向地震波作用下,水闸结构的相对位移及最大拉应力相对较大,动力响应最为突出。因此,研究横河向地震波作用下,不同混凝土弹性模量及密度对结构抗震性能的影响。

5.1 混凝土特性对水闸相对位移的影响

图7 为不同弹性模量及密度的混凝土水闸相对位移时辰曲线。从图中可以看出,混凝土弹性模量越低,水闸在地震波作用下相对位移值越大,当混凝土弹性模量降低至1.6 GPa时,水闸最大相对位移达到了0.22 m。混凝土密度越小,地震波作用下水闸相对位移越小,当混凝土密度为1.2 g/m3时,水闸最大相对位移值为0.08 m。这是因为弹性模量越大,水闸整体刚度越大,抗变形能力变强；而材料密度越小,结构自振动频率越小,与场地振动频率差异增大,受振动影响减弱。

图7 水闸相对位移时程曲线

5.2 混凝土特性对水最大拉应力的影响

图8 为不同弹性模量及密度的混凝土水闸结构最大拉应力时程曲线。从图中可知,随着材料弹性模量的增加,水闸结构最大拉应力在不断增大,当混凝土弹性模量为2.8 GPa时,地震波作用下结构最大拉应力达到了4.5 MPa。随着材料密度减小,结构所受拉应力也逐渐减小,当混凝土密度为1.2 g/m3时,水闸结构最大拉应力为1 MPa 左右。这说明轻质、柔性材料在地震波作用下,结构内力更小,抗震性能更好。

图8 水闸最大拉应力时程曲线

6 结论

本文采用有限元软件对不同地震波作用下水闸的动力响应规律进行了分析,并对比研究了采用不同弹性模量及密度的混凝土时水闸抗震性能的变化,得出以下结论：

（1）水闸高度越高,抗震性能越差,闸墩与启闭机桥、检修桥、公路桥、闸室底板等结构的连接位置为水闸抗震的薄弱环节,设计时应着重考虑地震荷载的影响。

（2）在不同方向的地震波作用下,水闸的动力响应有较大差别。由于水闸在横河向的刚度相对较小,在横河向地震波作用下,水闸受两侧岸坡土体的挤压作用,结构的相对位移和拉应力达到最大值。

（3）材料的弹性模量和密度对水闸抗震性能具有一定影响,筑闸混凝土弹性模量越大,水闸整体刚度越大,地震波作用下相对位移值较小,但结构所受拉应力较大。密度较小的材料,自振频率与场地振动频率具有较大差异,地震波作用下相对位移值和拉应力值较小。