基于模态分析方法下水工建筑动力特性与基础设计关系分析研究

2021-12-04徐永沛

水利科技与经济 2021年11期

徐永沛

(广东粤源工程咨询有限公司，广州 510000)

1 概述

水利工程中地震动力特性研究是十分重要的研究课题，以此可探讨结构抗震设计以及结构体系参数最优化，为提升水工结构安全可靠性提供重要参考[1-3]。在结构安全抗震设计中，重要的一方面就是结构基础方案设计，基础设计可靠性对结构抗震性具有重要作用。王星莉等[4]、张伯艳等[5]、张雪东等[6]通过对多种类型的基础在水工建筑中应用，设计有物理模型试验、原位试验、监测分析等手段，对结构体系安全可靠性进行分析，为水工结构最优化抗震设计提供重要数据参考。由于基础方案类型较多，采用仿真模拟手段可较高效获得不同基础方案下水工建筑动力特性，部分水利研究人员利用工程荷载与基础设计方案进行模拟，为评价水工建筑动力抗震效果提供参考[7-9]。本文根据粤北拟建水工建筑最优抗震设计，设计有3种不同基础设计方案，对比各方案地震动力特性，为拟建工程安全抗震性设计提供重要科学依据。

2 模拟计算介绍

2.1 工程概况

粤北地区拟建水资源中转枢纽工程，考虑设立一抽水泵站作为重要动力设施，另配以相应的水闸泄流设施、拦污栅以及蓄水池等水工建筑，每个蓄水池均配备有进水闸门，并设置相应的承重结构。其中，设计以弧形闸门为水闸通流设施，弧门半径为2.2 m，拦污栅设置有横纵连系梁，其中横梁宽高为120 cm×200 cm，设计以预应力锚索作为闸墩等承重结构的加固措施，配备有主次锚索交错布设，闸墩与锚索采用垫板相接触，确保上部结构整体运营稳定性。该水利枢纽工程由于牵涉面较广，涉及水利结构较多，对工程所在场地承载力要求较高。地勘钻孔资料表明，该场地使用天然地基并不满足设计要求，因而考虑对该场地基础进行多种方案比较设计。

从土层钻孔中获知，该场地内土层主要为黏土层与砂土层，其中黏土层沉降变形较大，最大颗粒粒径超过4 mm，埋藏厚度超过6 m，含水量较多；砂土层中含有较多细砾石，厚度超过10 m，该土层承载力较大，适合作为大型水利枢纽工程持力层。为此，该水利枢纽工程场地主要以砂土层为基础层，另加以人工基础改造，确保枢纽工程设施安全稳定性。为合理选用基础形式，设计3种基础设计方案，分别为普通桩基础设计方案(A方案)、桩基础-复合地基方案(B方案)、箱型-地下连续墙基础设计方案(C方案)。由于地震动荷载下结构安全性是重点考虑因素，因此本文主要对此3种基础设计方案开展地震动力特性分析，为确定最佳水利设施基础方案提供参考。

2.2 建模与荷载输入

根据该枢纽工程场地自振周期与场地类别，设计采用EI Centro标准地震波开展基础动力特性分析，该标准反应谱见图1。从标准地震波反应谱可知，所施加的地震动荷载峰值加速度为1.07 g，该荷载主要是加载基础结构上的水平方向上[10-11]，分析各基础设计方案在该动荷载下的动力响应特性。

图1 地震动荷载反应谱

根据3种不同基础设计方案分别建立计算模型，见图2。本文计算模型主要涉及上部水工建筑与下部基础方案，因而以黏弹性土体作为边界限定条件。采用边长为0.5 m网格单元进行模型划分[12-14]，3种基础设计方案分别获得52 639个、48 695个、502 782个网格单元，外荷载输入与动水压力等参数在3种计算方案中均保持一致。

图2 3种不同基础设计方案计算模型

3 地震动力特性模态分析

从3种不同基础设计方案中计算获得各阶次自振频率，见图3。从图3中可看出，随计算阶次递增，各方案中自振频率均递增，但3种方案自振频率增长幅度有所差异。A方案中，一阶自振频率为0.682 Hz，而3阶、7阶、10阶自振频率相比前者增大22.6%、46.3%和57.8%，相应的自振频率差异幅度在B方案中又为16.6%、39.7%和52.8%，而涨幅最小的为C方案，其3阶、7阶、10阶自振频率相比1阶增大2.9%、18.9%和32%。在各阶次自振频率增长过程中，A方案平均每阶次增长5.9%，B、C方案分别为4.8%、2.9%。从模态分析结果可知，3种方案中，自振频率以C方案为最大，其刚度响应特征显著高于A、B方案；根据计算结果各阶次的振型特征可知，A、B方案在初始阶次中振型均以动荷载施加方向的垂直方向为主，但C方案振型主要以动荷载同向的平动，而在三阶次后，振型以组合平动为主。

图3 各基础设计方案下计算阶次自振频率

4 基础设计方案下位移响应特征

4.1 普通桩基础设计方案

根据模拟计算获得基础设计方案下水工结构在水平、横向上位移响应特征，见图4。

图4 A方案上部水工结构位移响应特征

从图4可看出，结构水平方向最大位移为87 mm，位移荷载施加第16.7 s，与最大位移相近的是在第14.2 s，达到85.5 mm。在结构水平方向上位移超过50 mm的有5个节点，主要集中在10～17 s时间段内，而在该阶段之后结构位移逐渐减弱，该区间段内最大位移有65.3 mm，相比全时段内最大位移降低24.9%。由此表明，结构体系水平方向上位移影响主要集中在荷载施加后第10 s后6 s段内，而在其他时间段内位移值均较小。另一方面，从结构横向位移响应值可知，其位移响应值整体低于水平方向，在荷载施加第17 s左右时，水平方向在该节点是最大位移集中区，而横向上该节点的位移为35.3 mm，相比水平方向上降低59.4%。同样，结构横向最大位移在10～22 s时间段内较集中，而与之同时在其他时间段内位移均在-20～20 mm左右分布。对比结构水平、横向上最大位移可知，标准地震波荷载对A基础设计方案的水工结构水平向影响更显著，位移响应值亦较大。

从计算模型中划分出基础水平与横向上位移响应特征，获得图5所示结果。

图5 A方案基础位移响应特征

从图5中可看出，整体上基础在两个方向上的位移响应特征与水工建筑结构基本接近，结构体系中最大位移与基础最大位移均为相同。分析表明，普通桩基础设计方案中上部水工建筑结构与基础自身位移响应为一致，即A方案中基础、上部水工结构是一致性位移响应，基础减震或降低位移响应效果欠佳。

4.2 桩基础复合地基方案

根据桩基础-复合地基设计方案，获得该方案下上部水工结构与基础部分的位移响应结果，图6为上部水工结构在水平、横向上位移响应特征。

图6 B方案上部水工结构位移响应特征

从图6中可看出，B方案上部水工结构水平位移响应相比A方案较平稳，最大位移为76.2 mm，相比A方案最大位移降低12.4%，出现位移次数在50 mm以上的有4次，集中在12～17 s时间段内。而在水平位移响应后期，特别是20 s以后，位移响应处于较为平静状态，结构体系位移波动较小，最大位移量稳定在60.7 mm；在动荷载施加初期，位移响应结果与荷载后期结构位移响应基本类似，位移量分布在-20～20 mm。分析认为，由于桩基础复合地基方案中具有人工处理后的垫层材料，对上部结构的位移响应具有“缓冲”效应。结构体系横向位移影响最大值分布在时间11～16 s，最大位移以65 mm为主，超过50 mm的位移响应次数有4次，在动荷载位移响应最集中阶段内，横向最大位移相比水平向降低12.1%，且其相比A方案中横向最大位移也要降低8.5%，表明结构体系中位移响应特征受到限制影响，对结构体系安全可靠性具有提升作用。

图7为基础水平、横向上位移响应特征。从图7中可看出，基础体系不论是水平亦或是横向上，位移响应值整体分布均低于上部水工结构体系。以水平向位移为例，其最大位移主要出现在14.3 s，为79.7 mm，而该方向上结构体系最大位移相比其降低4.8%；同样在横向方向上，结构体系中最大位移亦相比基础自身位移降低9.7%。从结构体系与基础部分关系可知，桩基础复合地基有效降低了动荷载对上部水工建筑结构影响，削弱了动荷载传递至上部结构的响应值。

图7 B方案基础位移响应特征

4.3 箱型-地下连续墙基础设计方案

根据箱型-地下连续墙基础设计方案，获得上部结构体系位移响应特征，图8。从图8中可知，C方案的结构体系位移响应值显著低于A、B方案。其中，C方案上部结构体系水平向最大位移为39.2 mm，相比之A、B方案上部结构体系最大位移降低54.9%、48.6%；从结构体系位移响应特征即可知，C方案抗震特性强于A、B方案。同理，C方案结构体系的横向位移响应表现均低于A、B方案。综合而论，C方案结构体系抗震安全可靠性更佳。对比C方案水平、横向位移响应差异可知，水平、横向最大位移集中在40 mm左右，低于50 mm的常规安全响应值。分析表明，C方案中结构体系位移以水平向响应为主，且C方案相比地震动影响较弱，对结构体系自恢复稳定性更有利。

图8 C方案上部水工结构位移响应特征

图9为C方案基础部分位移响应特征。从图9中可看出，基础部分位移响应值相比上部结构均高出一定幅度，基础部分水平方向最大位移为50.2 mm，相比之结构体系中最大位移增大28.1%；从横向位移影响值来看，上部水工结构最大位移相比基础部分结构降低幅度达19.6%，相比上部结构体系响应时间更长。由此可认为，C方案中上部结构受“减震”效应显著，起着重要隔震性能，在上部整体水工建筑结构体系中具有重要抗震性能。从3个方案位移响应及动力响应特征比较结果来看，采用C方案更具有抗震安全可靠性。