基于仿真计算下墩系梁增设切角对泵站进水塔结构抗震特性影响分析研究

周松松，叶柏阳，孙益松

( 1.淮安市水利勘测设计研究院有限公司，江苏 淮安 223005； 2.江苏淮源工程建设监理有限公司，江苏 淮安 223005 )

1 概 述

水工建筑结构的建设为水资源开发利用提供了重要坚实基础，确保水利工程建设安全稳定性是许多水利工程持续致力于研究的重要课题。水利工程中不仅需要考虑静力荷载下安全稳定性，对动力抗震特性也必须重视关注，因而探讨研究水工结构动力抗震特性影响因素具有重要意义[1-3]。已有许多国内外学者基于室内动力振动台试验，探讨了水利工程结构在地震荷载作用下破坏特性，为工程实际设计提供了重要参考[4-6]。由于水工结构面临流体介质的特殊性，许多学者引入模态分析或拟静力手段，以数值仿真手段研究流固耦合或多场耦合下水利工程结构动力响应特性，为实际工程探讨动力抗震安全稳定性提供重要参考[7-8]。本文针对抽水泵站进水塔结构，利用有限元软件研究计算切角设计参数对结构动力响应影响特性[9-10]，为实际工程设计提供仿真参考。

2 工程概况与研究模型

2.1 工程介绍

某抽水泵站群位于安徽西北部，承担区域内灌区农业用水以及农村生活用水，调节丰枯水季水资源供应量，总农业面积超过150×104m2，枯水季可提升农业灌溉效率25%，且生活用水量缺水率可降低13%，是地区水资源供给重要水工设施。泵群中第三梯队的甲抽水泵站为本文研究对象，其顶部高程为285 m，建有蓄水池，尺寸为7.2×4.6 m，灌区内输水干渠与该蓄水池出水孔相连，渠首流量设计为0.65 m3/s，干渠总长度约为125 km，以模袋式混凝土作为衬砌形式，保证输水渠道安全稳定性。另在泵站上游河流建有进水塔，进水塔顶部高程与蓄水池接近，为288 m，塔宽为37.5 m，顺水流方向为28 m，以多段式框架结构设计拦污栅形式，每个拦污栅5×15 m，其中每个拦污栅上布设有2个进水口，尺寸为3.5×10 m，框架式拦污栅支撑采用进水塔墩系结构，设置有横纵梁与塔墩相连，目前横梁设计为高宽1×0.8 m，总量为正方形平面结构，边长为1 m，框架拦污栅结构与塔墩横纵梁支撑式结构，均采用钢筋混凝土一体式浇筑形成。另在拦污栅中间布设有平面弧型钢闸门，闸门启闭均采用泵站管理厂房内液压式启闭机精确控制，保证水资源调控量精准，确保泵站运行安全。塔墩连系梁结构体系是该泵站工程中重要支撑结构，探讨其安全稳定性对确保泵站安全运营具有重要作用。进水塔主要结构见图1。

图1 进水塔主要结构三维图

现场工程地质调查发现，场地属Ⅱ级场地，区域内活跃地质构造发育较少，仅在上游河流左岸坡延伸有一定向斜，长度实测值为1.2 km，局部破碎带夹有泥质胶结灰岩，表面出露岩石受风化影响较强，岩角已出现粉末状。泵站场地表面为第四系人工填土，厚度较薄，约为1.3 km，但相比农田灌区内表面第四系种植土，该人工填土层松散性较大，颗粒分选性显著，无显著砂石颗粒。下方土层为砂砾土，颗粒粒径为1.6～5.8 mm，磨圆度较高，含水量较低，分析是泵站进水塔上游河流冲刷搬运沉积形成，作为地区内公路路面以及输水干渠持力层。基岩层以弱风化灰岩为主，块状结构，表面磨圆度较高，无可见显著孔隙，岩体完整性较好，室内测试常温渗透系数为10-18m2，其含水量对进水塔墩静力稳定性影响较弱。以上述工程资料为基础，基于模态分析理论，借助数值仿真手段，计算研究设计参数对进水塔结构动力影响特征。

2.2 模型建立与荷载参数

为准确模拟计算出进水塔墩连系梁动力特性受设计参数影响特征，本文仿真模型包括有进水塔以下15m地基，模型以六面体为基本单元体，体现模型变形自由度，共获得单元总数198 738个，节点数96 538个，所建立泵站进水塔整体仿真模型见图2(a)，进水塔结构有限元模型见图2(b)。有限元计算过程中，空间坐标体系X、Y、Z正方向分别为水流右侧垂线方向、顺水流向、向上竖向。限于篇幅，本文考虑影响进水塔结构体系中增设切角的高度、坡度设计参数，分别开展影响性计算研究。

图2 有限元仿真模型

边界约束荷载考虑进水塔结构自重，外荷载为地震动作用，以拟静力法考虑将地震动作用分为惯性力与动水压力影响。其中惯性力以反应谱作为荷载确认，本文地震动反应谱以工程现场实测值作为施加荷载，其具体测量反应谱图见图3，分解成进水塔空间体系中3个方向，分别作用在结构模型节点上。

图3 加速度反应谱实测值

动水压力按照式(1)计算，并施加在进水塔地基结构体系中。

(1)

式中：H为深度；Zi、Ai分别为坝基距离与截面积。

3 增设切角参数对进水塔墩系梁动力响应影响

为分析切角参数对墩系梁动力响应影响，设计开展不同切角设置高度、不同切角坡度动力体系计算分析。

3.1 增设切角高度

本文切角高度研究方案分别有0.2、0.3、0.4、0.5和0.6 m，并加入一组未设置切角的研究方案(认为切角高度0 m)，同时保证切角坡度固定为1/3(高长比)，且横纵梁截面其他设计参数均保持一致，典型不同切角高度下截面几何图见图4。

图4 切角不同高度截面几何图

基于对进水塔结构体系中仿真求解，获得进水塔墩系梁体系中动力响应特征，图5为模态体系中计算获得各切角高度下进水塔结构中应力特征变化曲线。

图5 各切角高度方案下结构拉应力特征变化

从图5中可知，横梁轴向拉应力受增设切角高度参数影响显著，并与之为负相关变化特征，在未设置切角情况下横梁拉应力最大，达14.6 MPa，当仅改变切角高度为0.5和0.6 m时，拉应力相比分别降低14.4%和17.8%，即增设切角有助于降低横梁结构拉应力参数，且切角高度愈高，抑制横梁结构拉应力愈显著。改变增设切角高度，纵梁轴向拉应力增长较缓，且仅在增设切角高度为0.3 m后才开始小幅增长，高度0.3 m以下几乎无变化，切角高度0.6 m相比0.3 m时的纵梁拉应力增长6.4%，达8.3 MPa，分析表明仅当增设切角高度过高时，才会促进纵梁拉应力参数。从栅墩第一主应力特征参数变化可知，其与切角设置高度并无显著性关系，不论是切角高度0.3 m，亦或是0.6 m，第一主应力参数值均稳定在8.77 MPa左右，表明栅墩主应力并不受切角高度改变而影响。

图6为栅墩各方向位移相对值与切角高度关系曲线。从图6中可看出，栅墩Y向、Z向位移相对值曲线为一水平线，即Y向、Z向位移不受增设切角高度影响；栅墩X向位移相对值曲线整体上随切角高度增大而逐渐降低，切角高度0.6 m时X向位移相对值为15.6 mm，但其相比切角高度0.2 m时降低8.2%，即切角高度尺寸改变，则栅墩X向位移会有所减小。

图6 栅墩各向位移与切角高度关系曲线

图7为计算获得进水塔结构体系中，特征部位压应力受增设切角高度影响变化曲线。从图7中曲线变化可知，横梁轴向压应力、栅墩第三主应力、结构体系整体第三主应力分别与切角高度均为负相关变化，切角高度为0.6 m时的横梁轴向拉应力为12.8 MPa，相比切角高度0.2和0.3 m时降低10.5%和8.6%，相同对比情况下栅墩第三主应力降幅分别为10%和6.1%。另一方面，纵梁轴向压应力受切角高度影响，会稍有增大，横梁切角高度为0.6 m纵梁压应力相比高度0.2 m上升4.8%；从各特征结构压应力分布可知，均未超过混凝土材料允许应力值，处于较为安全状态。

图7 各切角高度方案下结构压应力特征

图8为切角高度为0.6 m时栅墩各方向位移分布云图，体系中位移分布较为稳定，受地震动荷载作用，最大位移出现在X向，达15.5 mm，位于栅墩迎水侧区域，顺水流方向位移自栅墩底部至顶部逐渐增大，栅墩竖向最大位移沉降为39.6 mm，位于墩顶。综合上述位移与应力分析，横梁切角设置高度为0.6 m时进水塔墩系梁体系结构较稳定，可增强进水塔结构抗震性能。

图8 切角高度0.6 m时位移分布

3.2 增设切角坡度

切角坡度研究方案分别设置1/1、1/2、1/3、1/4和1/5，其他设计参数均保持一致，计算获得各方案墩系梁动力响应特征，并比较获得最佳抗震性能方案。为分析方便，本文将各方案中切角坡度1/1、1/2、1/3、1/4和1/5换算成长高比1/1、2/1、3/1、4/1和5/1，并在各坐标体系中分别以长高比1、2、3、4、5代替。图9为不同切角坡度方案下进水塔结构体系中特征部位拉应力变化。

图9 各切角坡度方案下结构拉应力特征

从图9中可看出，当切角长高比改变时，纵梁拉应力、栅墩第一主应力无明显变化，仅横梁拉应力为先减小后增大变化，横梁最低拉应力为长高比3/1时(坡度1/3)，达13.5 MPa，从长高比1/1至3/1时横梁拉应力降低5.6%，但从长高比3/1至5/1时，横梁拉应力又增大2.2%。分析表明，切角坡度过大过小，均会影响横梁拉应力参数，应保持切角坡度设计在合理区间，抗震性能才最佳。

图10为各坡度(长高比)参数下进水塔栅墩各方向位移特征。从图10中曲线可知，不论是栅墩X向亦或是Z向，各坡度下位移几乎均为水平线，X向位移变化幅度亦是3个方向中最大，但亦仅为1.1%，即栅墩位移并不受切角坡度影响。分析表明，切角坡度改变，并不影响栅墩位移特征。

图10 栅墩各向位移与切角坡度关系曲线

图11为各切角坡度下进水塔墩系梁压应特征参数变化。从图11中可知，当长高比增大时，横梁压应力为先减后增，最低压应力为长高比3/1时，达13.8 MPa；栅墩第三主应力、纵梁压应力均几乎无变化，分别稳定在11.7和8.4 MPa左右；结构体系中第三主应力最大值为15 MPa，此时长高比为1/1，在长高比3/1时，相比前者减少6%，而在长高比3/1后，结构体系中第三主应力又随之增大；从各研究方案压应力计算结果可知，均低于混凝土原材料允许强度，满足安全要求。综上动力响应应力与位移特征可知，切角坡度对结构体系中特征部位拉压应力影响特征一致，例如切角坡度减小(长高比增大)，横梁拉压应力均为先减后增，纵梁拉压应力无显著变化，从设计方案最佳抗震性能考虑，当切角坡度为1/3时最适宜。

图11 各切角坡度方案下结构压应力特征

图12、图13分别为坡度1/3时进水塔墩系梁特征部位应力分布、栅墩各向位移分布，从中可知3个特征部位中拉应力以横梁中为最大，达13.9 MPa，最大拉应力位于横梁第三排边缘内侧区域；各排纵梁应力分布基本为相似，其最大应力位于中间排框；栅墩迎水侧应力高于背水侧，最大拉应力位于栅墩底部，达8.8 MPa。顺水流方向位移自墩底部至顶部逐渐由正向变换为负向；竖向位移最大沉降为3.9 mm，栅墩水流方向上最大位移位于迎水侧，边缘侧栅墩位移分布为一致，中间栅墩位移分布最大，且具有相似性。从位移分布与特征部位应力表现来看，设置切角坡度1/3时，结构体系中抗震动力响应特性最佳。

图12 坡度1/3时结构应力分布

图13 坡度1/3时栅墩位移分布

4 结 论

针对抽水泵站进水塔墩系梁动力响应特性，基于模态分析理论建立仿真模型，研究增设切角的高度、坡度对其动力响应影响特征，结论如下：

1) 研究了增设切角高度对结构拉应力影响特性，增设切角有助于降低横梁结构拉应力，且切角高度愈高，抑制横梁结构拉应力愈显著；纵梁拉应力仅在增设切角高度0.3 m后小幅增长；栅墩第一主应力与增设切角设置高度无显著关系，各高度方案中第一主应力均为8.77 MPa左右。

2) 研究了增设切角高度对结构位移与压应力影响特性，栅墩X向位移相对值与切角高度为负相关变化，但Y向、Z向位移不受横梁切角高度影响；横梁压应力以及第三主应力与切角高度均为负相关关系，纵梁压应力随增设切角高度增大，稍有小幅增大，压应力均未超过混凝土材料允许应力值。

3) 分析了切角坡度对结构应力影响特征，纵梁拉压应力、栅墩第一、第三主应力不受切角坡度影响；切角坡度过大过小，均会影响横梁拉压应力，随着坡度减小，横梁拉压应力均为先减后增，坡度1/3时压应力相比坡度1/1时减少6%。

4) 研究了切角坡度对结构位移影响特性，栅墩X向、Y向、Z向位移相对值随坡度变化几乎均为稳定不变状态；当增设切角高度0.6 m、坡度1/3时，结构抗震性能最佳。