韩延贵，杨青顺

(1.青海大学土木工程学院，青海 西宁 810016；2.青海省建筑节能材料与工程安全重点实验室；3.青海省水利水电勘测设计研究院，青海 西宁 810012)

水工框架结构在水利水电工程中承担着启闭闸门、宣泄洪水的重要作用，因而水工框架结构的抗震性能是大坝等挡水建筑物在地震中受损后，能否及时泄空库水，避免发生溃坝等严重后果的决定因素。研究水工框架结构的抗震性能，不断改进结构的抗震设计，才能提高大坝等挡水建筑物在地震下的安全运行能力，避免或减轻地震造成的灾害损失。於正芳等[1]对包括水工框架结构等非坝体水工建筑物的动力模型试验方法进行了研究。研究表明，水平向地震对高耸建筑物影响较大，是高耸薄壁建筑物的抗震薄弱环节。芮开天等[2]以西北某水闸为例，采用动力时程法计算了水闸上部结构的动力响应。研究结果表明，上部结构在地震作用下的位移响应呈现随高程增加而线性增大的趋势，且结构的应力集中出现在上部结构与下部结构连接处。王舟等[3]应用非平稳随机过程模拟的谱表示——随机函数方法，通过代表性时程集合的平均反应谱与规范反应谱的拟合比较，发现K-T(Kanai-Tajimi)广义演变谱模型更适用于水工建筑物抗震设计。刘冬梅[4]对某水电站拦河闸工程结构和地基进行了三维有限元静力分析和动力响应分析，发现在顺水流方向，闸墩对排架的地震效应影响很小，在垂直水流方向，闸墩对排架的地震效应影响较大。张冰[5]对一个10层框架结构在近场地震作用下的响应特性作了深入的研究，发现近场地震作用下结构的响应远大于一般地震动作用下的响应。涂劲等[6]对某水电站高拱坝-地基体系的地震响应进行了数值分析，发现在地震超载和滑裂面抗剪强度降低的计算工况中，坝体位移反应的突变有不同的表现形式。然而关于在罕遇地震下水工框架结构的抗震性能的研究较少。本文以西北某水闸上部钢筋混凝土框架结构为例，基于纤维有限元模型，采用动力时程分析方法对该结构在罕遇地震下的抗震性能进行计算分析，以期为高烈度区水工框架结构的抗震设计提供参考和建议。

1 工程背景

某引水枢纽位于青海省柴达木盆地南部，枢纽控制灌溉面积5 800 hm2，灌渠最大引水流量为7 m3/s。引水枢纽主体为泄洪冲沙闸，根据规范SL 252—2017《水利水电工程等级划分及洪水标准》[7]，工程等别为Ⅲ等，工程规模为中型。泄洪冲沙闸、进水闸、溢洪道等永久性主要建筑物级别为3级，边坡防护工程、消能防冲等次要建筑物级别为4级。工程设计洪水标准30年一遇，相应的洪水流量为 407 m3/s，校核洪水标准100年一遇，相应的洪水流量为720 m3/s。

泄洪冲沙闸布置在主河床，闸前正常蓄水位为3 106.4 m，设计洪水位为3 106.4 m，校核洪水位为3 108.5 m，总库容为14.1×105m3。泄洪冲砂闸最大泄水流量为691.5 m3/s，设3个孔口，单孔孔口尺寸为6.5 m×5 m，底板设计高程3 100.0 m，闸墩顶高程3 110.0 m。设3台卷扬式启闭机，启闭机设置在泄洪冲沙闸上部钢筋混凝土框架上。框架为三排三层结构，垂直水流方向总跨度为23 m，顺水流方向总长度为5.2 m，总高度为11 m。框架柱最大尺寸为0.6 m×0.6 m，框架梁最大尺寸为0.6 m×0.4 m。

根据国家标准GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》[8]，工程区地震动峰值加速度为 0.15 g，相应的地震基本烈度为Ⅶ度。近场区5 km以内无活断层，区域重磁异常不明显，根据区域构造稳定性四分体系分级，工程区属构造稳定性较好区。工程各项建筑物抗震设防类别为丁类，需进行抗震计算，并对主要建筑物采取相应的抗震措施。

2 模型建立

2.1 计算模型

图1 计算模型Fig.1 Calculation model

根据盈建科软件设计结果，采用通用非线性有限元软件MSC.Marc为平台，建立泄洪冲沙闸结构的有限元模型。模型建立情况见图1，荷载加载情况见图2。建模的基本方法如下：

(1)混凝土梁柱采用清华大学基于MSC.Marc开发的纤维梁单元THUFIBER[9]进行模拟，MSC.Marc为98号单元。

(2)楼板采用薄壳139号单元进行模拟。

(3)混凝土和钢筋的材料参数均根据相应的规范采取对应的标准值，混凝土核心区的本构采用SR约束模型[10]。

(4)对于结构的荷载，将梁和楼板上的荷载折算为相应的梁和楼板的密度进行模拟。

图2 启闭层梁柱尺寸及启闭荷载分布情况Fig.2 Beam-column dimensions and distribution of loading of headstock

2.2 计算参数

框架第1层及第2层柱截面尺寸均为0.6 m×0.6 m，第3层柱截面尺寸为0.4 m×0.4 m；第1层及第3层梁截面尺寸均为0.4 m×0.4 m，第2层主梁截面尺寸为0.6 m×0.4 m，次梁尺寸为0.4 m×0.4 m。框架混凝土标号为C30F250，弹性模量为3×104N/mm2，轴心抗压强度标准值为20.1 N/mm2；钢筋采用HRB400钢筋，弹性模量为2×105N/mm2，钢筋抗压及抗拉强度设计值均为360 N/mm2。

2.3 地震动选取

根据工程位置区域地震动参数及设防烈度，结合GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》[11]规范，生成符合本工程特性的设计反应谱(见图3)。从图3可知，设计反应谱分为3段：第1段为周期小于0.1 s的区段，β取从1.0到2.25的直线段；第2段为周期自0.1 s至特征周期0.46 s的水平段，β取最大值2.25；第3段为周期自0.46 s至3.0 s的区段，β按公式β(T)=2.25(0.30/T)0.6取值。再根据生成的设计反应谱，从太平洋地震工程研究中心(PEER)的数据库中选取了11条地震动(见图4)，并将地震加速度峰值(PGA)调幅至我国相关规范[11]的7度罕遇地震水平，即PGA=310 cm/s2。调幅后的地震动记录按x∶y∶z=1.00∶0.85∶0.65的比例三向输入[12]。分析采用经典的Rayleigh阻尼，阻尼比取5%。

图3 设计反应谱Fig.3 Design response spectrum

图4 地震加速度时程曲线Fig.4 Time-history curve of earthquake acceleration

表1模型质量检验

表2模型周期检验

2.4 模型验证

模型验证通过验算模型的结构总重量和模型

主要周期是否与设计结果吻合。验算结果见表1和表2。由表1可以看出，模型的重量检验结果误差小于3%，说明模型在重量上和设计结果吻合的较好。再由表2可以看出，模型在主要平动周期上的误差均小于20%，说明模型的动力特性符合要求。

3 结果与分析

3.1 位移响应分析

文中采用选取的11 条地震动来分析体系在罕遇地震(PGA=310 cm/s2)作用下的结构响应。在框架沿垂直高度每层取一个特征点提取出垂直水流方向(X方向)和顺河流方向(Y方向)的位移数据，并给出框架体系在11条地震动下结构响应的中位值，根据位移数据及楼层高度计算出每层的层间位移角，生成了位移随楼层的变化曲线(图5)和层间位移角随楼层的变化曲线(图6)。

由图5可以看出，结构位移响应呈随楼层高度增大而增大的趋势，最大位移出现在结构顶端，且顺水流方向(Y方向)位移明显大于垂直水流方向(X方向)位移，这是因为X方向是三跨结构，Y方向是单跨结构，Y方向刚度小于X方向，变形更加明显。此外，结构位移在第二层以上变化不太明显，这主要是由于结构在第三层有楼板，整体刚度相比第一层和第二层更高，位移响应更小。

根据图5中的位移及楼层高度可计算出各层层间位移角，由层间位移角曲线(图6)可以看出，结构层间位移角随楼层高度增大而线性减小。由图6还可以看出，顺河流方向(Y方向)的层间位移角变化最为明显，主要还是因为结构在顺水流方向为单跨结构，相比垂直水流方向(X方向)刚度小，位移响应更加明显。此外，框架体系在罕遇地震作用下，体系的最大层间位移角为0.018，小于规范中结构弹塑性位移角的限值(限值为1/50)。

图5 楼层-位移Fig.5 Floor-displacement

图6 楼层-层间位移角Fig.6 Angle of floor-to-floor displacement

3.2 整体变形分析

为了研究构件的损伤破坏，对于梁或柱单元，根据纤维梁单元中钢筋纤维的应变是否大于屈服应变来判断梁柱构件是否出现塑性铰。屈服应变由钢筋的屈服应力与弹性模量确定[12]。由于结构的第1周期点上，El-Centro地震动的加速度反应谱与设计反应谱的误差为18.2%(图7)，小于20%，满足规范GB 50011—2016《建筑抗震设计规范》[13]第5.1.2条要求，因此结构损伤分析以El-Centro 作为典型输入，计算模型及计算参数同前文一致。计算完成后，框架整体塑性铰的分布情况如图8所示。框架体系在罕遇地震作用下，结构在主要梁柱节点及柱与基础连接部位出现塑性铰，说明结构在罕遇地震下已经损伤，丧失了结构在地震后继续工作的能力。

图7 El-Centro 地震动加速度反应谱和规范反应谱对比Fig.7 Comparison between acceleration response spectrum and standard response spectrum of earthquake by EI-Centro

图8 框架梁柱塑性铰分布情况Fig.8 Distribution of plastic hinges of frame beam and column

3.3 主要构件变形分析

启闭机安装在机架下面的钢筋混凝土大梁上，SL 191—2008《水工混凝土结构设计规范》[14]中对安装启闭机的大梁的挠度有专门的要求，即挠度ω≤l/500(l为计算跨度)。因此本文中通过对启闭机安装大梁挠度的计算，分析结构在罕遇地震下的主要构件变形情况，以及变形对结构主要功能的影响。本次分析结构是3孔闸，每孔的启闭机均由启闭层上的2根大梁直接承担。因此文中对3组6根大梁的挠度进行计算并提取，结果见表3。

表3启闭机安装大梁变形验算

由表3可以发现，结构在遭遇罕遇地震时，启闭机安装大梁挠度最小为6.97 mm，最大为8.55 mm。大梁挠度均大于设计规范[14]要求的挠度限值(ω=2.4/500=4.80 mm)，不满足结构在地震发生后的紧急启闭要求。

4 讨论与结论

刘冬梅[4]研究认为，对于闸墩上部排架结构，在顺水流方向，闸墩对排架的地震效应影响很小，在垂直水流方向，闸墩对排架的地震效应影响较大，因而排架在顺水流方向的位移响应大于垂直水流方向的位移响应。本研究结果表明，顺水流方向(Y方向)位移和层间位移角均大于垂直水流方向(X方向)的位移和层间位移角，这与上述的结论一致。芮开天等[2]采用动力时程法计算了水闸上部结构的动力响应，发现闸室上部结构在地震作用下的位移响应呈现随高程增加而线性增大的趋势。本研究也得出，结构位移响应呈随楼层高度增大而增大的趋势。此外，本文研究还发现，启闭层(第三层)因为刚度大，位移响应变化相对其它层较小。在罕遇地震下，结构的主要梁柱节点及柱与基础连接部位均出现塑性铰，且启闭机安装大梁挠度均大于规范限值，不满足结构在地震发生后的紧急启闭要求。需要进一步研究改进设计方案，提高结构抗震性能。本次研究得到了水工框架结构在罕遇地震下的一些初步结论，对于高烈度区的水工框架结构设计具有一定的指导和参考意义。关于如何根据研究结果，改进设计方案，提高水工框架结构在罕遇地震下的抗震性能，还需进一步研究。