高壩發(fā)電引水進口塔結(jié)構(gòu)安全性分析

高壩發(fā)電引水進口塔結(jié)構(gòu)安全性分析

強震區(qū)高塔的結(jié)構(gòu)性能和安全性關(guān)系到電氣站的正常運行，可能會影響主要水庫和樞紐的安全。它是一個重要的建筑，確保了電氣站的效率?？紤]到川南縣的高地震，準(zhǔn)備了高壩水庫水電工程項目，并對這些項目的結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化和重新設(shè)計?？紤]到這些項目中進水塔結(jié)構(gòu)的特點，通過優(yōu)化塔的形狀來降低塔的剛性，不僅可以節(jié)約工程成本，而且有助于提高結(jié)構(gòu)的抗疲勞動設(shè)計?？紤]到靜力分析中結(jié)構(gòu)規(guī)模的增加和剛性增加對結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力有利，但在動態(tài)分析中，體和剛度過大，必然會集中在較大的壓力下，這不利于結(jié)構(gòu)的抗疲勞動設(shè)計。因此，動態(tài)設(shè)計與靜態(tài)設(shè)計在管理上是不同的。在強地震激勵下，高進入水塔的力學(xué)行為和結(jié)構(gòu)性能，選擇合理有效的數(shù)值分析法，建立結(jié)構(gòu)安全評估標(biāo)準(zhǔn)，是這些水工建筑物設(shè)計中最重要的技術(shù)。本文在前人水庫工程的指導(dǎo)下，重點研究了強震區(qū)和金水塔等100米長的快速地震勘探技術(shù)。采用通用金元軟件abaqus，通過對塔體結(jié)構(gòu)、塔背混凝土高度等重要部分的優(yōu)化，獲得最合適的抗疲勞動設(shè)計和投資成本效益。1計算條件1.1進水塔結(jié)構(gòu)組成長河壩水電站位于大渡河上游河段,電站總裝機容量2400MW,正常蓄水位1690m,壩壅水高220m,進水塔高73m,正常蓄水位以下庫容約9.85億m3.進水塔結(jié)構(gòu)為典型的岸塔式進水塔結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu)主要包括塔身和攔污柵框架,框架由攔污柵柱、聯(lián)系攔污柵柱的水平橫撐和聯(lián)系攔污柵柱與塔身的水平縱撐組成.根據(jù)一般工程經(jīng)驗及本工程實際地質(zhì)條件,巖石基礎(chǔ)選取的高寬為進水塔結(jié)構(gòu)本身高寬再向上下游面和底面各延長1.0倍左右.巖石基礎(chǔ)底面視為固定邊界,即巖石基礎(chǔ)底面約束全部位移;基礎(chǔ)上下游面約束順?biāo)飨蛩轿灰?兩側(cè)面約束橫水流向水平位移.1.2結(jié)構(gòu)有限元模型結(jié)構(gòu)主要采用8節(jié)點六面體等參單元離散,計算單元總數(shù)為333718,求解自由度數(shù)為1088481.網(wǎng)格劃分時考慮了結(jié)構(gòu)的幾何形狀、受力特征和材料分區(qū).進水塔結(jié)構(gòu)及其巖石基礎(chǔ)都近似假定為各向同性、均勻連續(xù)的線彈性體.庫水壓力、揚壓力、動水附加質(zhì)量均只作用在相關(guān)面上.其有限元模型見圖1.1.3設(shè)計結(jié)構(gòu)位移對比靜力計算考慮靜水壓力和揚壓力的作用,動力計算考慮結(jié)構(gòu)在順?biāo)飨颉M水流向和豎向3個方向地震作用,結(jié)構(gòu)的應(yīng)力位移為靜力和動力計算疊加結(jié)果.反應(yīng)譜采用水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范譜,順?biāo)飨蚝蜋M水流向加速度峰值為222g,豎向加速度峰值按照規(guī)范折減為148g,計算水位為正常蓄水位.2凝土體型的優(yōu)化塔背混凝土優(yōu)化對結(jié)構(gòu)的自振頻率和應(yīng)力位移均有影響,合理的塔背混凝土體型不僅可以減少混凝土用量,降低工程成本,而且對提高結(jié)構(gòu)的抗震性能和安全穩(wěn)定性也很有幫助.本研究希望通過對不同塔背混凝土體型在三向地震作用下的應(yīng)力應(yīng)變分析,得到有利于抗震設(shè)計的優(yōu)化體型.2.1集料用塔背回填通過不斷減少塔背混凝土順?biāo)飨蚝蜋M水流向長度來尋求合理的體型.本部分比較研究共包含3個模型,順?biāo)飨蚝蜋M水流向減少長度分別如表1所示,豎直向塔背回填高度不變,均為36m.2.2塔背混凝土體型對變形的影響位移計算結(jié)果(見表2)為3個方向地震作用與靜力作用的合位移,進水塔結(jié)構(gòu)的位移總趨勢基本以流道中心線呈對稱分布.順?biāo)飨蛭灰?見圖2)由于順?biāo)飨虻卣鸺畹淖饔?塔頂向下游偏移,在模型3中,達到最大值12.92mm.其他模型中,位移值均超過12.50mm,各模型位移差別非常小.塔頂橫水流向位移與順?biāo)飨蛭灰拼笮∠喈?dāng),在模型3中,達到最大值13.31mm,其他模型中,位移值均超過13mm.各模型塔頂豎向位移均在2.50mm左右.3個模型塔頂各向位移相差最大值為0.34mm,可見塔背混凝土體型改變對塔頂位移的影響很小,可忽略不計.2.3拉應(yīng)力影響分析應(yīng)力計算結(jié)果為3個方向地震作用與靜力作用的合應(yīng)力,由于考慮了3個方向地震的共同作用,且動水附加質(zhì)量按照群塔塔體外形尺寸施加,塔體外形系數(shù)值均大于4.0(為單塔外形系數(shù)的3倍左右),所以塔背應(yīng)力峰值很高,且拉應(yīng)力影響范圍較大(見圖3、表3).塔背混凝土順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力最大,在模型1出現(xiàn)最大值10.64MPa.峰值出現(xiàn)在塔背回填混凝土與塔體接觸的部位,該處為幾何突變位置,屬于應(yīng)力集中區(qū)域,3個模型下拉應(yīng)力影響范圍基本相同.應(yīng)力峰值在3個模型中依次遞減,順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力模型3較模型1減少16%.橫水流向拉應(yīng)力模型3較模型1應(yīng)力峰值減少21%.對于豎直向拉應(yīng)力,其分布規(guī)律與順?biāo)飨蚝蜋M水流向拉應(yīng)力相反,從模型1到模型3應(yīng)力峰值略有增加,模型3較模型1應(yīng)力峰值增加5%.底板混凝土各向應(yīng)力分布規(guī)律基本一致,從模型1到模型3依次遞減.3塔背回混混凝土的高度3.1塔背回填混凝土高度由塔體結(jié)構(gòu)體型比較結(jié)果可知,應(yīng)力峰值位于塔背與回填混凝土接觸的位置,且衰減速度較快.因此塔背回填混凝土的高度對進水塔結(jié)構(gòu)的影響值得探討.本部分基于塔體結(jié)構(gòu)體型優(yōu)化中最優(yōu)模型3,通過不斷降低回填混凝土高度得到新的3種模型,分別對應(yīng)模型3、模型4和模型5,3種模型塔背回填混凝土高度分別為36.0、26.0和16.8m.3.2塔背混凝土回填高度應(yīng)力計算結(jié)果為3個方向地震作用與靜力作用的合應(yīng)力.各向應(yīng)力變化規(guī)律明顯,均為先減后增,各向應(yīng)力峰值最大值均出現(xiàn)在模型3,峰值最小值均出現(xiàn)在模型4.詳見表4、圖4所示.塔背混凝土順?biāo)飨蚶瓚?yīng)力在模型3出現(xiàn)最大值8.90MPa,峰值出現(xiàn)在塔背回填混凝土與塔體接觸的部位.隨著塔背回填混凝土高度的降低,其應(yīng)力峰值顯著減小,在模型4應(yīng)力峰值為6.58MPa,幅值減小26%.豎向應(yīng)力峰值模型4較模型3減小45%,橫水流向應(yīng)力峰值模型4較模型3減小13%.底板混凝土應(yīng)力變化規(guī)律與塔背一致,順?biāo)飨驊?yīng)力峰值模型4較模型3減小19%,豎向應(yīng)力峰值模型4較模型3減小31%,橫水流向應(yīng)力峰值模型4較模型3減小11%.隨著塔背回填混凝土高度的降低,塔背處的邊界約束減弱,塔體剛度相應(yīng)減小,在地震作用下應(yīng)力集中現(xiàn)象會顯著改善,但當(dāng)回填高度繼續(xù)降低時,應(yīng)力峰值又開始增加,且應(yīng)力的影響范圍會波及進水塔流道,這顯然對抗震設(shè)計不利.故塔背混凝土回填高度的變化對進水塔結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計非常關(guān)鍵,回填高度太高不僅增加工程成本而且會增加塔體的約束,導(dǎo)致應(yīng)力集中,回填高度太低應(yīng)力峰值也會增加且對進水塔流道不利.4塔體結(jié)構(gòu)體型的優(yōu)化本文采用反應(yīng)譜計算方法,研究減少塔背混凝土方量和降低塔背混凝土回填高度對進水塔結(jié)構(gòu)在強震激勵下結(jié)構(gòu)性能的影響.由數(shù)值仿真計算結(jié)果可以得到如下結(jié)論:1)各種模型下,進水口結(jié)構(gòu)的位移總趨勢基本以流道中心線呈對稱分布,且塔頂位移隨模型的變化很小,可忽略不計.2)塔體結(jié)構(gòu)體型的優(yōu)化使模型3塔背順?biāo)飨蚝蜋M水流向正應(yīng)力較模型1減少超過15%,且混凝土方量較模型1減少5000m3,豎向應(yīng)力模型3較模型1略有增加.綜合可見模型3較模型1、2是更優(yōu)體型.3)塔背回填混凝土高度對進水塔塔背應(yīng)力影響明顯,模型4較模型3順?biāo)飨蛘龖?yīng)力減少26%,豎向正應(yīng)力減少45%,橫水流向正應(yīng)力減