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高烈度地震区贯流式河床厂房结构抗震特性研究

2024-09-12 211 上传者：管理员

摘要：采用反应谱叠加法对高地震烈度区的某河床式水电站厂房进行了抗震特性研究，分析了在地震效应下厂房结构的自振和变形特征，从结构内力和基础应力角度出发，进一步研究了结构受力规律，探索了地基承载能力及厂房整体稳定特性。研究表明，在地震效应下，工程厂房结构变形主要发生在高耸薄板、厂房结构安全、地基基础承载力和厂房结构整体抗滑稳定是否满足工程要求。

关键词：
反应谱法
地震
抗震分析
河床式厂房
高地震烈度
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地震作为一种破坏力极强的自然灾害，不仅会威胁到人民的生命安全，更会对社会造成巨大的财产损失。中国西南山区具有大量丰富的水力资源，同样也是地震高发区域，位于地震高发区域的水力发电工程的抗震安全极为重要[1-4]。资料表明，在5·12汶川地震中，太平驿、映秀湾、渔子溪、紫坪铺、耿达、福堂等水电工程破坏相对严重，导致工程各建筑物均遭到不同程度的破坏，发电系统全部停机，并伴随发生边坡崩塌、滑坡和泥石流等严重次生灾害[5]。

国内外学者针对水电站厂房抗震这一课题均做过相关研究[6-7]。孙海清等[8]采用反应谱法深入研究了地震效应下巴基斯坦卡洛特水电站厂房结构的响应，并提出了针对性的抗震措施。程东昱等[9]通过振型叠加法和时程分析法对某河床式水电站机组厂房坝段进行抗震计算复核，并对厂房结构提出优化。张汉云等[10]采用输入顺河向的地震波，研究了河床式水电站厂房上部结构的“鞭梢效应”以及下部结构的地震响应。苏晨辉等[11]分析了设计反应谱特征周期和下降段衰减系数对厂房结构地震动响应的影响。

老鹰岩一级水电站地震基本烈度为Ⅷ度，且厂房为贯流式河床厂房，地震作用对厂房结构安全具有显著影响，若失事会严重危害到上下游人民的生命财产安全。鉴于此，以老鹰岩一级水电站为研究背景，深入系统研究厂房结构在地震作用下的响应特征，并对厂房结构安全性和稳定性作出评价。

1、工程概况

老鹰岩一级水电站位于安顺场镇松林村松林河口以上曾家沟口附近，该工程主要建筑横穿大渡河，一字形展开，如图1～2所示，从左至右依次为泄洪闸坝段、主厂房坝段、心墙堆石坝段，属大(2)型工程，其挡水、泄洪、引水发电等永久性主要建筑物为2级建筑物，正常蓄水位905.00 m, 坝顶高程907.50 m。

主厂房坝段布置于泄洪闸坝段右侧，由2个机组坝段和1个安装间坝段组成，其中主机间坝段布置有4台贯流式机组，长98 m, 顺水流方向宽度为88.2 m, 从右至左依次为1～4号机组，采用两机一缝布置方式，即1～2号机组坝段、3～4号机组坝段；安装间段布置于1～2号机组坝段右侧，长47 m, 顺河流方向长77.5 m, 坝段之间设有一道永久沉降缝，缝宽2 cm。结构缝止水布置为：外侧(迎水面)为止水铜片，内侧为橡胶止水片，止水片伸入地基0.5 m, 与地基防渗结构连接。

水电站工程相应地震烈度为Ⅷ度，根据建设场地地震安全性评价成果，场地50年超越概率为10%的基岩水平峰值加速度为220 gal。

2、计算模型与计算参数

2.1 三维计算模型

三维有限元计算中的地震动力作用效应采用振型分解反应谱法，计算软件采用有限元分析软件Abaqus。

考虑到地震效应对越高的结构地震效应越明显，因此选取1～2号机组坝段作为计算模型，模型包含建筑物主要结构构件及地基两部分，地基均为基岩，计算网格模型见图3。

图1枢纽纵剖面(单位:m)

图2枢纽横剖面(单位:m)

计算模型范围：地基顺水流方向单侧长度均为1.5倍建筑物顺水流长度、地基高度为1.5倍建筑物高度，垂直水流向地基取建筑物基础宽度。沿闸轴线方向(垂直河流向)设置为x,正方向指向右岸，顺河向方向为y方向，正方向指向下游。铅直方向指定为z轴，铅直向上为正方向。基岩轴线方向(x方向)和顺水流方向(y方向)采用法向位移约束，基岩底部(z方向)采用位移约束，1～2号机组坝段结构四周未施加约束，为自由运动。

模型约束对地基采用法向约束，无质量地基。为了安全考虑，模拟分析不考虑横河向边缘x向约束，为偏保守分析。

2.2 计算参数

计算采用线弹性有限元分析，材料参数见表1;动力分析采用静态弹性模量。

发电厂房坝段地基为岩石，岩石类别为Ⅳ类。抗剪断强度(混凝土/岩体):f为0.8,c为0.45 MPa; 地基静态允许承载力为2.0 MPa, 地基动态允许承载力为3.0 MPa。

坝址工程场地50年超越概率63%、10%、5%、2%,及100年超越概率2%、1%基岩地表的水平向地震动加速度反应谱(5%阻尼比)见表2。

图3 1～2号机组坝段有限元计算网格模型

表1主要材料计算参数

厂房坝段模型地震工况荷载包括厂房自重、水重、设备重、静水压力、土压力、扬压力、浪压力、冰压力及地震作用。厂房上游取正常蓄水位905.00 m, 下游取正常尾水位887.13 m。

3、厂房坝段的抗震特性分析

3.1 自振特性分析

通过计算得出1～2号机组坝段及安装间坝段在前12振型下自振频率(见表3)。由表3可知，该工程1～2号机组坝段1～5阶自振频率增长较为稳定，6～12阶自振频率增长较为缓慢，该坝段共有2组自振特性，分别反映下游侧吊车梁边墙自振特性(见图4(a)～(b)),进水口闸墩自振特性(见图4(c)～(d))。

表3 1～2号机组坝段结构各振型下自振频率

图4 1～2号机组坝段结构部分振型自振特性

3.2 结构变形分析

1～2号机组坝段结构在地震设计反应谱计算方式下的变形见图5。在地震作用影响下，主机间下游墙主要发生顺河向变形，顺河向变形量值为29.17 mm, 进水口中闸墩发生横河向变形，变形量值为18.86 mm。

总体上，主机间下游墙合位移为31.45 mm, 进水口中闸墩合位移为21.88 mm。该坝段主要混凝土结构动位移呈现随高程增大而增大，上游动位移大于下游动位移的趋势。

图5 1～2号机组坝总位移云图

3.3 结构内力分析

总的地震作用是反应谱计算得到的地震动应力和静力计算得到的静应力耦合计算的结果，包含“静力+动力”工况和“静力-动力”工况。

“静力+动力”条件下，1～2号机组坝段结构应力情况见图6,1～2号机组坝段结构最大拉应力位于进水口胸墙与中墩、边墩的连接处，最大拉应力为6.69 MPa; 最大压应力位于2号水轮机右侧边墙，最大压应力为3.92 MPa。

图6 “静力+动力”工况下结构应力分布

“静力-动力”条件下，1～2号机组坝段结构应力情况见图7。“静力-动力”工况下结构最大拉应力位于2号进水口胸墙与边墩的连接处，最大拉应力为2.40 MPa; 最大压应力位于2号水轮机右侧边墙，最大压应力为7.61 MPa。

两种工况下，结构最大压应力均发生在2号机组右侧端墙，1～2号机组坝段结构混凝土承载能力极限状态安全系数满足规范的要求，两侧墩墙处产生小范围拉应力集中，最大值为6.69 MPa, 可通过配筋保证其安全性。两种工况下结构承力分析见表4。

图7 “静力-动力”工况下结构应力分布

表4结构承力分析

3.4 地基承载能力分析与厂房整体稳定评价

“静力+动力”条件下，厂房基础应力情况见图8,“静力-动力”条件下，厂房基础应力情况见图9。如图8所示，“静力+动力”工况下，基础在竖直方向上全为压应力，竖直方向上最大压应力位移基础上游侧，对应压应力极值为0.92 MPa, 基础除上下游侧边界外，其余部位竖向压应力均小于0.63 MPa。如图9所示，“静力-动力”工况下，基础在竖直方向上全为压应力，竖直方向上最大压应力位移基础上游侧左岸处，对应压应力极值为3.09 MPa, 基础除上下游侧边界外，其余部位竖向压应力均小于2.19 MPa。

综合结构重要性系数和设计状况系数对地基承载力进行修正，修正后的地基应力小于地基静态允许承载力(见表5),满足规范[12]要求。

图8 “静力+动力”工况下基础应力分布

图9 “静力-动力”工况下基础应力分布

表5地基承载力分析

对两种工况下，基础应力积分求和，以抗剪断强度按式(1)进行计算，得到1～2号机组坝段抗滑稳定计算结果(见表6)。

式中：ψ为抗滑稳定设计状况系数，持久及偶然状况分别取1.0、0.85;γ0为抗滑稳定结构重要性系数，本工程结构安全级别为Ⅱ级取值1.05;γd为抗滑稳定结构系数，按《水工建筑物抗震设计标准》[13]中表12.2.2取值0.65;∑Pd为全部作用设计值对滑动面的切向分力值，kN;∑Wd为全部作用设计值对滑动面的法向分力值，kN;f′k为滑动面的抗剪断摩擦系数标准值；c′k为滑动面的抗剪断黏聚力标准值，kPa;γf、γc为材料性能分项系数；A为基础受压部分的计算截面积，m2。

在两种工况下，1～2号机组坝段基础抗滑力大于滑动力，即两种工况下厂房整体抗滑稳定均满足规范要求见表6。

表6抗滑稳定计算成果

4、结论

通过反应谱叠加法对高地震烈度条件下某贯流式河床水电站厂房坝段进行抗震计算，可以发现本工程在地震效应下有如下结果。

(1)该厂房坝段主要有2组自振特性，分别反映下游侧吊车梁边墙发生顺水流方向变形，进水口闸墩发生横河向变形。

(2)厂房坝段下游侧边墙产生了较大的顺河向位移，位移为31.45mm,考虑到该处结构不影响工程的整体运行，且本次建模该处结构未考虑厂房顶部的刚度连接，在实际情况中，该部位地震响应会低于本次分析结果。

(3)进水口胸墙位移大，与中墩、边墩的连接处应力集中，两种工况下，局部最大拉应力分别为6.69MPa、2.40MPa,可采用在进水口胸墙上部增加横向支撑以控制胸墙横向变形，通过配筋保证工作的安全性。

(4)两种工况下，基础均为压应力，未出现拉应力，且压应力值小于地基静态允许承载力，满足受力要求。此外，厂房结构滑动力小于抗滑力，厂房整体稳定满足要求。

参考文献:

[1]徐波,张雅琦,李友平.水电站机组抗震设计在西南区域地震中的意义[J].水力发电学报,2015,34(9):128-137.

[2]宋志强,王飞,欧阳金惠,等.水电站地面厂房抗震研究现状与展望[J].陕西水利,2019(1):13-16,19.

[3]谢礼立,马玉宏.现代抗震设计理论的发展过程[J].国际地震动态,2003(10):1-8.