朱国金，胡灵芝，凌 云，谢思思

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明，650051）

景洪水力式升船机高耸薄壁混凝土塔楼结构动力特性研究

朱国金，胡灵芝，凌 云，谢思思

（中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司，云南昆明，650051）

采用动力模型试验和有限元动力分析两种手段，对景洪水电站水力式升船机塔楼结构的动力特性和动力响应进行分析研究，在此基础上对水力升船机塔楼这种新型结构抗震安全性进行综合评价。结果表明：动力模型试验和有限元数值计算的结果基本一致，塔楼结构形式合理，但由于结构较为单薄，其动力响应较为复杂，许多部位出现较大的动应力，需要采取工程措施来改善这些部位的应力状况。

水力式升船机；塔楼结构；高耸薄壁混凝土结构；动力模型试验；数值分析

景洪水电站水力式升船机塔楼作为升船机的主体建筑物，是整个升船机承载基础，分为上游段和下游段，由底板、左右塔柱、顶部联系梁组成，总高度92 m（不包括顶部机房）。左右塔柱作为升船机承船厢的支承、导向和限位结构，塔柱内部布置充泄水系统，其上部竖井为平衡浮筒的运行通道。塔楼为高耸结构，单个塔柱的高宽比为7.93，是典型的高柔建筑物，对地震作用十分敏感。关于采用何种结构形式，业界提出如钢结构、钢骨混凝土结构等多种方案，但是均受升船机机械系统、输水系统布置的协调性等方面影响，最终选取钢筋混凝土结构作为塔楼结构方案，其抗震性能直接决定水力式升船机的成败，因此对其动力特性进行专项研究是非常有必要的[1-5]。

塔楼这种高耸中空薄壁钢筋混凝土结构分析尚未有规程规范指导，尤其是水力式升船机布置输水系统使得塔楼结构形式较常规升船机的塔楼结构形式复杂很多，且输水系统和竖井系统在升船机运行过程中频繁充泄水使其受力条件也极其复杂，导致塔楼结构在地震工况下动力响应非常复杂，难以把握。

基于此，采用数值计算和模型试验两种方法对景洪水力式升船机塔楼结构的动力特性和动力响应进行深入研究，为塔楼结构抗震设计提供科学、合理的依据，同时也为这种新型结构的抗震设计提供借鉴。

1 塔楼基本结构形式

景洪水力式升船机塔楼采用高柔全筒式结构，高92 m，上下游方向长76.6 m，在中部设置纵向结构缝，横河向宽为40 m。以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个宽为11.6 m的塔柱，每个塔柱内分别设置了8个竖井，竖井高为72 m，底高程为542.00 m。竖井在594.50 m高程以上为方形断面、以下为圆形断面，断面尺寸分别为7.2 m×7.9 m、ϕ6.5 m。竖井隔墙在594.5 m高程以上厚1.85 m、594.5 m高程以下为2.55 m。为了使各竖井间水位在充泄水过程中能最大限度地同步上升或下降，在竖井底部542.00 m高程设了竖井连通廊道，廊道断面为城门洞型，尺寸为2.0 m×4.0 m（宽×高）。

左右塔柱中间空腔为船厢池，是升船机承船厢的运行空间，宽16.8 m，底高程为528.50 m。船厢池底板厚6.5 m，底板中设有直径ϕ2.5 m等惯性输水管道。

塔楼顶部设置了联系左右两塔柱的钢筋混凝土大梁，梁高3.5 m、宽2 m，共11根，如图1所示。

图1 景洪水力式升船机塔楼结构（尺寸及高程单位：m）Fig.1 Sketch of the hydraulic drive ship tower(in meters)

2 塔楼结构动力模型试验研究

2.1 试验内容和试验方法

试验内容包括：（1）确定塔楼结构的自振特性，研究结构动力特性；（2）分析在7度地震荷载作用下塔楼结构的地震响应，进行结构抗震能力分析和评价。

原型结构的塔楼采用C25号混凝土，动弹性模量为36.4×104MPa，泊松比为0.167，钢筋混凝土密度为2 500 kg/m3。设计地震烈度为Ⅶ度，地面运动最大加速度为0.11g（g为重力加速度）。

由于水力式升船机塔楼的塔柱竖井内需要充水，利用水能作为提升动力，模型试验不但要模拟混凝土材料，还需要模拟竖井内的水。众所周知，若在模型结构中按一定的相似缩尺模拟水材料是十分困难的，故在可能的情况下，尤其是动力相互作用试验研究时，原型中的水材料尽可能在模型中仍用水来模拟，因此，要求其重度相似比Cγw＝1，这也就意味着强制结构材料相似比Cs=1，即要求模型材料的重度（密度、比重）要等于原型材料的数值，要求在模型中模拟混凝土的材料的重度也要达到25 kN/m3。另外，由于加载设备的限制和量测精度的要求，希望模型结构材料弹模相对要低、材料强度适当，还有较好的防渗性和温度、湿度稳定性。

因此，水-结构相互作用体系的模型试验研究对水工混凝土的模拟提出了高重度、低弹模、强度适当、防渗、稳定等严格要求。

传统的石膏、有机玻璃等模型材料均不满足相似要求，加重橡胶虽然重度较高，但因材料非线性和温度稳定性等问题而不适宜。经反复比对、研究，并查阅大量的文献资料后，最终确定采用以环氧树脂等材料组成的复合材料模拟水工混凝土的方案。在综合考虑了试验设备条件之后，主要原型、模型相似常数选定如下：几何尺寸CL＝50、密度Cρ=1、应变Cε＝9.07、加速度Ca＝1。

模型试验选取塔楼上游特征段作为研究对象，在模型的关键部位布置了加速度、位移和应变测点，如图2所示。

2.2 结构动力特性

试验测得的塔楼结构自振特性列于表1，结构动力特性均以水平振动为主，在所分析的频段内，未发现以垂直振动为主的结构动力特性。

图2 模型试验装置Fig.2 Test rig of the tower

表1 塔楼结构自振频率试验值Table 1 Test value of natural frequency of tower

分析结构自振特性可知，在结构动力特性试验系统识别的4阶模态中，塔楼结构横河向振型分别为1阶、4阶，无水状态较有水状态频率分别下降8.6%和3%。考察横河向塔楼模型结构的传递函数，结构无论在无水状态还是有水状态下，第4振型的放大倍数均大于第1振型的共振放大倍数较多，说明升船机塔楼结构在横河向对第4振型振动分量的响应将要大很多，并且有水情况下模态振动的放大倍数将增大。塔楼结构2阶、3阶模态振型为顺河向振型，该方向第2阶振型的共振放大效应要明显大于第3阶。

需要指出的是，模态分析表明，第3阶、第4阶振型有扭曲振动趋势，塔楼原型结构在垂直方向呈数倍的类似“共振”放大效应，即垂直向加速度放大倍数在某些频段内急剧增大。对升船机塔楼的高耸薄壁结构，水平振动引起了较大的结构垂直向响应（即P-Δ效应），值得关注。

2.3 结构动力响应

地震模拟振动台输入的地震波采用人工地震波。人工地震波阻尼比取5%，时间T经时间（周期）相似常数换算后，得到模型所要求的设计反应谱RRS，再设计生成人工波。频率范围为5～100 Hz，振动持时3s，水平加速度取0.1g，垂直加速度为1/15g。试验时，人工波的水平、垂直加速度时程同时输入振动台系统，量测结构关键部位应变响应、加速度响应和位移响应。

表2给出塔楼顶部动位移测值，由于实测的位移是包括基础刚性位移在内的绝对位移，因此换算到原型就较大。试验测得的结构顶部最大竖向动位移很小，模型位移在传感器最小精度之内（μm数量级）。结构自重制约了竖向地震动位移。

表3列出了塔楼结构关键部位的动应力响应测值。

表2 塔楼顶部位移试验值Table 2 Test value of displacement at the top of tower

3 塔楼结构动力数值分析

3.1 计算模型

由于在塔楼中间部位设置了结构缝，为此选取塔楼上游特征段为计算模型。塔楼结构三维模型见图3，模型模拟了竖井、输水系统管道、连通廊道、检修廊道、联系梁等结构，模型绝大部分采用八节点六面体单元，竖井钢衬采用4节点壳体单元（如图4所示），模型共划分44 912个单元，共有51 647个节点。

表3 塔楼关键部位应力试验值Table 3 Test value of stress at key points

图3 塔楼三维有限元模型Fig.3 3D finite element model of tower

图4 竖井系统模型Fig.4 Model of shaft system

3.2 结构动力特性

在计算中，假设地基无质量，机电荷载（包括卷扬机基础荷载、重力平衡块重及船厢重）作为集中质量施加。塔楼（包括底板、塔柱、顶部厂房及连接大梁）的质量按有限元中的“集中质量矩阵”计算。计算得到的塔楼自振频率（无水）见表4。

3.3 结构动力响应

表5给出了塔楼顶部高程614.0 m的动位移计算值。

表4 塔楼结构自振频率的计算值Table 4 Calculated value of natural frequency of tower

表5 塔顶位移计算值Table 5 Calculated value of displacement at the top of tower

表6给出了塔楼关键部位动应力计算值。

4 塔楼结构动力特性分析

分析塔楼结构的模型试验和有限元数值计算成果，可知：

（1）塔楼结构数值计算结果与动力试验成果揭示的塔楼结构动力特性和动力的规律基本一致。

（2）由于动力试验和有限元数值计算对边界条件的模拟手段不同，导致两者结果存在一定的差异。动力试验中，地基边界无约束，在地震输入时会有一定的响应放大，故试验时测得的结构动力响应比计算值要高。

（3）塔楼结构竖井内充水与否对结构动力特性和动态响应有一定的影响。竖井充水使得结构自振频率有一定下降，但动应力、动位移等响应有时增加，有时减小。以动应力为例，有水时的响应较之于无水时，增加或减少幅度都可能达到或超过20%。

表6 塔楼关键部位应力计算值Table 6 Calculated value of stress at key points

（4）塔柱结构的前10阶振型以横河向振型为主，并有顺河向振型和扭曲振型出现。塔楼结构的自振频率呈由低阶到高阶越来越密集的分布。结构的低频主要是整体结构的振型，而高阶振型为复杂的空间形式。

（5）在地震荷载作用下，由于塔楼结构自身的横河向刚度不大，使结构横河向的动应力较大，尤其是塔楼顶部连接左右两塔柱的联系梁因自身较为薄弱，与和它相连的两塔柱的刚度相差很大，故在它与塔柱连接部位出现较大的横河向动应力。与此同时，船厢池底板与塔柱交接处也出现较大的竖向动应力。

（6）塔楼结构在地震工况下，最大应力超过混凝土强度的部位需采取一定的抗震措施，如提高危险部位的混凝土标号或进行平滑处理，增加倒角等，减小应力集中，以提高结构抗震安全性。

5 结语

采用模型试验与数值计算两种方法，对景洪水电站水力式升船机塔楼动力特性和动力响应进行了研究，结果表明：

（1）试验与计算所得的结构自振特性（自振频率、振型）、结构动力响应（应力、位移、加速度）分布规律基本一致。

（2）塔楼的结构形式合理可行，满足水力式升船机承船厢运行及输水系统和竖井系统布置的要求。

（3）塔楼顶部联系大梁对提高塔楼结构整体刚度有一定贡献，但由于联系大梁刚度较左右两塔柱刚度相差许多，故在联系梁与塔柱连接处出现了较大的横河向动应力。建议在结构动应力较大部位加强配筋，或局部调整该处的截面面积，以提高结构抗震安全性。

（4）研究成果可作为水力式升船机塔楼这种新型结构抗震设计的依据。

景洪水力式升船机塔楼于2010年初完工，2011年初至今进行了多次带水调试，经历了2011年“3·24”缅甸7.2级地震和2014年“10·7”景谷6.6级地震考验，监测数据表明塔楼结构在各种静动力工况下受力状态正常，验证了研究成果合理可行。 ■

[1]胡晓,陈厚群,王济.清江隔河岩水利枢纽垂直升船机塔柱结构抗震试验研究[J].水利学报,1998,12:38-41.

[2]纽新强.三峡升船机结构关键技术问题研究[D].武汉:华中科技大学,2005.

[3]何蘅,李同春.水口水电站升船机塔楼结构动力试验研究及数值分析[J].河海大学学报(自然科学版),2005,33(6): 642-645.

[4]谢德浚,黄云生,陆辛.岩滩升船机塔柱结构设计与分析[J].红水河,1999,18(4):101-104.

[5]陈厚群,胡晓,王济,等.三峡升船机塔柱结构抗震试验研究[J].地震工程与工程振动,1999,19(1):47-56.

作者邮箱：278497571@qq.com

Research on dynamic behavior of concrete tower with lofty thin-wall structures of hydraulic drive ship lift of Jinghong hydropower station

by ZHU Guo-jin,HU Ling-zhi,LING Yun and XIE Si-si
Pow⁃erChina Kunming Engineering Corporation Limited

The dynamic vibration model test and FEM-based numerical calculation are adopted to study the seismic performance and further to comprehensively evaluate aseismic safety of the tower structure. The results from model test and finite element calculation are in line with each other.The results show that the form of tower structure is relatively reasonable,but dynamic response is relatively complex due to the thin structure.Large dynamic stress appear in many parts of the tower,which need corresponding engineering measures.The research can provide a scientific basis for seismic design of similar struc⁃tures.

hydraulic drive ship lift;tower structure;lofty thin-wall concrete structure;dynamic model test;numerical calculation

TV312

B

1671-1092（2016）05-0005-05

2016-01-11；

2016-04-01

朱国金（1978-），男，江苏盐城人，高级工程师，主要从事水利水电及港口航道工程勘察设计科研和技术管理工作。