大型水闸闸室结构抗震加固措施研究

2022-03-01刘长勇

水利科技与经济 2022年2期

刘长勇

(新疆水利水电勘测设计研究院，乌鲁木齐 830000)

1 概述

结构的地震反应主要受地震动特性和结构特性的影响。随着人们对这两方面认知水平的不断提高，结构地震反应分析方法也在不断进步[1]。目前，水闸地震反应分析方法主要有拟静力法、反应谱法、时程分析法、随机振动理论和结构可靠度理论[2]。ANSYS动力分析主要用来分析研究结构在动荷载作用下的响应，以确定结构的承载能力和动力自振特性等。ANSYS动力分析模块主要包括模态分析、谱分析、谐响应分析和瞬态动力分析，这些动力分析可以解决各类水利工程实际问题[3]。模态分析可以确定结构的固有频率和振型。谐响应分析可以计算结构在集中频率下的响应并得到一些响应值对频率的曲线，如分析厂房结构在机组震动下的抗震[4]。谱分析主要用来确定结构对随机荷载或随机时间变化荷载的动力响应情况，如计算结构在地震作用下的最大响应值等[5]。

2 模型建立与工况

2.1 模型建立

采用ANSYS程序建立水闸整体有限元计算模型，考虑闸墩、底板与地基的相互作用。取3孔一联和一定范围的地基(水闸闸室的上下游和深度方向均取一倍闸室高度Hd=20 m)作为一个整体结构，采用8节点等参单元进行有限元网格剖分。在地基底面加固定约束，侧面加法向约束。闸室加固前后的整体有限元模型见图1。

图1 整体有限元模型

其中，坐标系的0点设在模型中心线的底板顶面上游端，X轴沿顺河流方向指向下游，Y轴沿横河向指向左岸，Z轴沿铅直方向指向上方。计算中，对闸室及地基按线弹性材料进行模拟，未考虑结构的塑性特性。结构总的地震作用效应同时计入横河向、顺河向和竖向地震作用，将竖向地震作用效应乘以0.5的耦合系数后与水平向地震作用效应(横河向地震作用效应与顺河向地震作用效应平方和的方根值)直接相加。动力计算考虑前20阶振型。

2.2 材料特性

该水闸闸室除公路桥混凝土强度等级采用C30外，其它结构的混凝土强度等级均采用C25，具体力学参数见表1。闸室地基土物理力学指标见表2。

表1 混凝土参数表

表2 闸室地基土物理力学指标表

2.3 计算参数与方案

该水闸工程按8度设防，水闸的地震加速度a=0.3 g，反应周期Tg=0.35 s，水闸的设计反应谱最大代表值βmax=2.25,阻尼比ξ=0.05。该水闸的设计反应谱见图2。加固后闸室结构中，其上游工作便桥、胸墙、下游公路桥均采用固接形式。

图2 水闸设计反应谱

3 闸室加固后计算结果及分析

3.1 正常工况

闸室加固后正常工况下应力计算结果见表3。

表3 加固后正常工况下应力计算结果表

续表3

由表3可知，排架的最大主拉应力为0.51 MPa，出现在排架顶部，最大主压应力-1.29 MPa，出现在排架根部。便桥的最大主拉应力为2.10 MPa，出现在桥面与中墩连接部位附近(由固端弯矩产生)，该部位需要配筋；最大主压应力-2.83 MPa，出现在桥底闸墩两侧。公路桥的最大主拉应力为2.18 MPa，出现在桥面与中墩连接部位附近(由固端弯矩产生)，该部位需要配筋；最大主压应力-2.56 MPa，出现在桥底闸墩两侧。闸墩的最大主拉应力为1.51 MPa，出现在检修门槽上游闸墩内侧底部，该部位需要配筋；最大主压应力-5.58 MPa，出现在闸墩根部下游侧。胸墙的最大主拉应力为2.15 MPa，出现在边孔胸墙靠近中墩的下游底部尖角处(由固端弯矩产生)，该部位需要配筋；最大主压应力-1.90 MPa，出现在中孔胸墙上游底部尖角。牛腿的最大主拉应力为1.06 MPa，出现在牛腿上游底部外侧尖角处；最大主压应力-3 MPa，出现在牛腿弧门铰支座处。底板的最大主拉应力为3.14 MPa，主要是由静水压力引起，出现在底板上游侧与地基接触的两个尖角应力集中处，需要配筋；最大主压应力-14.71 MPa，主要是由于自重引起，出现在底板上游侧与地基接触的两个尖角应力集中处，需要配筋。

3.2 检修工况

检修工况为中孔检修，边孔挡水。闸室加固后检修工况下应力计算结果见表4。

表4 加固后检修工况下应力计算结果表

由表4可知，排架的最大主拉应力为0.48 MPa，出现在边墩排架顶部；最大主压应力-1.21 MPa，出现在排架顶部上游侧。便桥的最大主拉应力为1.95 MPa，出现在桥面与中墩连接部位两侧(由固端弯矩产生)，需要配筋；最大主压应力-2.56 MPa，出现在桥底中墩两侧。公路桥的最大主拉应力为2.32 MPa，出现在桥面与中墩连接部位附近，主要是由于固端弯矩产生，需要配筋；最大主压应力-2.78 MPa，出现在桥底中墩两侧。闸墩的最大主拉应力为1.14 MPa，出现在边墩公路桥附近；最大主压应力-4.82 MPa，出现在中墩根部下游侧。胸墙的最大主拉应力为1.61 MPa，出现在边孔胸墙靠近边墩的上游侧底部尖角处，是由于固端弯矩产生的，需要配筋；最大主压应力-1.99 MPa，出现在中孔胸墙底部上游尖角。牛腿的最大主拉应力为1.01 MPa，出现在边孔牛腿上游底部外侧尖角处；最大主压应力-2.85 MPa，出现在边孔牛腿弧门铰支座处。底板的最大主拉应力为2.94 MPa(主要由静水压力引起)，出现在底板上游侧与地基接触的两个尖角应力集中处，需要配筋；最大主压应力-13.29 MPa(主要由自重引起)，出现在底板上游侧与地基接触的两个尖角应力集中处，需要配筋。

3.3 校核工况

闸室加固后校核工况下应力计算结果见表5。

表5 加固后校核工况下应力计算结果表

由表5可知，排架的最大主拉应力为0.43 MPa，出现在边墩排架顶部，没有超过混凝土抗拉强度设计值1.3 MPa；最大主压应力-1.12 MPa，出现在边墩排架根部。便桥的最大主拉应力为2.05 MPa，出现在桥面与中墩连接部位两侧(由固端弯矩产生)，需要配筋；最大主压应力-2.52 MPa，出现在桥底中墩两侧。公路桥的最大主拉应力为1.92 MPa，出现在桥面与中墩连接部位两侧(由固端弯矩产生)，需要配筋；最大主压应力-2.28 MPa，出现在桥底中墩两侧。闸墩的最大主拉应力为4.67 MPa，出现在边墩根部上游侧，需要配筋；最大主压应力-4.95 MPa，出现在边墩根部上游侧。胸墙的最大主拉应力为6.50 MPa，出现在边孔胸墙靠近边墩的上游侧底部尖角处(由固端弯矩产生)，需要配筋；最大主压应力-5.20 MPa，出现在中孔胸墙底部上游尖角。牛腿的最大主拉应力为0.19 MPa，出现在边墩牛腿下游侧；最大主压应力-1.24 MPa，出现在边墩牛腿下游底部尖角处。底板的最大主拉应力为3.57 MPa(主要由静水压力引起)，出现在底板上游侧与地基接触的两个尖角应力集中处，需要配筋；最大主压应力-12.41 MPa(主要由自重引起)，出现在底板上游侧与地基接触的两个尖角应力集中处，需要配筋。