地震波不同输入状态下进水塔结构响应特征研究.pdf

1、理论研究水利技术监督 年第 期:/地震波不同输入状态下进水塔结构响应特征研究张学冬(广东省源天工程有限公司 广东 广州)摘要:为研究江都水利枢纽泵站进水塔结构地震动响应特征 设计了不同地震波形入射角方案 研究了塔体结构动力响应特征影响变化 分析表明 入射角超过 后 塔体主应力响应值、变化特征具有更显著活跃性 入射角递增、向位移则分别是递增、稳定状态 塔顶加速度响应水平最高 在入射角超过超过 后 塔顶加速度持续增长 从抗震设计考量 塔顶及 向位移变化是关注重点 可为进水塔等水工建筑的地震动响应研究提供参考关键词:地震波 进水塔 位移 应力 加速度中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作

2、者简介:张学东(年)男 工程师:引言水工建筑安全稳定不仅仅需要考虑设计方案的合理性 也需探讨不同工况荷载下结构应力、位移影响特征 尤以动力响应工况下更为显著 进水塔作为水电站、泵闸等工程中常见水工结构设计方案可靠性是否能匹配工况荷载 乃是水利工程师常需考虑的问题 杨庚鑫等、吴建兴等为研究进水塔结构动力响应特征 采用振型分解、反应谱时程法等 研究了地震波荷载对塔体结构响应水平的影响 包 括 应 力 分 布、位 移 特 征 等、为研究进水塔的抗震设计 分别开展了不同地震波输入特性下塔体结构地震动响应水平分析 探讨了各类型地震波下水工结构的加速度、主应力等参数影响特征 对推动水工结构抗震研究具有重要

3、意义 朱代富等、李明超等从地震波入射方式入手 探讨了地震波不同方式输入下 水工结构位移、应力分布变化 有助于揭示水工建筑地震破坏机理 本文为研究江都泵站进水塔结构动力响应特征 从波形入射角对比入手 评价了不同输入状态下进水塔体结构应力、位移以及加速度响应变化 对提高结构抗震设计有所参考 研究方法 工程介绍江都泵站乃是京杭大运河、南水北调等重要输水通道的重要节点 位于淮河入江、新通扬运河交汇处 具有输调水以及泄流排涝等重要水利职责江都 一 站 目 前 有 台 轴 流 泵 运 行 总 流 量 为/单机流量可达 /全功率运行下年输水超过 万 引水为 万 有助于新通扬运河以及淮河入江段泄洪排涝 设计排

4、涝流量可达/最大扬程为 不仅于此江都一站还是长江下游重要水文观测枢纽 对汛期洪峰过境、枯水季蓄水调度 具有重要价值 图 为江都水利枢纽工程从一站至四站分布示意 不论是江都一站或是江都四站 在芒稻河、新通扬运河等河道中 所发挥的蓄水、调水作用不可估量 根据统计资料 目前江都水利枢纽工程年运行时间超过 实现水利发电超过 万 从优化泵站运行、提高水能利用率、降低输水耗能等方面 江都水利枢纽管理处开展了智慧水利等一系列新兴技术的应用 但不可忽视由于部分泵站运行时间、设计标准均有所滞后 急需对部分泵闸结构开展更新维护 从 年江都水利枢纽水文资料分析表明 排涝流量维持在与洪峰过境匹配水平 抽引流量仍存一定

5、缺陷 泄流挤压常导致泵闸满负荷运行 且导致部分拦污栅结构破坏 为此计划采用水利仿真模拟建设方式 对江都一站进水 年第 期水利技术监督理论研究塔开展结构动力响应水平分析图 江都水利枢纽分布示意 计算模型基于江都水利枢纽智慧水利虚拟仿真系统构建起与江都一站相匹配的进水塔几何模型 并导入至 有限元计算平台中 获得了进水塔结构有限元模型 如图()所示 该模型依托于智慧水利的运营可靠性分析 为数字孪生产物在有限元计算平台中 仅提取出进水塔上部结构模型与场地地基结构 模型的 向分别为顺水流向、垂直向上以及岸坡右侧 该计算模型中塔体最高处为 、向计算范围为 向计算范围为 且 向范围涵盖了地基向下深度 经 有

6、限元平台划分网格 共获得模型网格单元 个 节点数为 个 而塔体结构中采用的为弹塑性本构单元 网格数占总模型的 如图()所示 进水塔所在场地地基采用附加质量法进行仿真计算塔体底面与基础接触面加密划分网格 确保计算精度图 有限元计算模型据地勘报告显示 上覆土体为为松散性适中的壤土 含水率分布为 为芒稻河下游平台典型代表 密度为 /基岩为半风化灰 岩 单 轴 强 度 超 过 变 形 模 量 为 由于壤土沉陷性以及吸水性满足地基土体要求 故未进行改性治理 本文计算模型中 岩土体参数也是以此为参照设定为确保计算结果可靠性 本文采用 地震波为输入荷载 该波形前 加速度时程特征如图 所示 峰频加速度为 计算

7、时采用粘弹性边界条件设定 基于等效节点荷载方法 施加不同角度的入射 地震波 并限定入射角 时为其均匀波形临界点 只要入射角不超过该临界点 波形均具有二维平面波形 在超过该临界点后 所输入的地震波荷载在反射方向上不具有二维均匀波从江都水利枢纽进水塔结构抗震设计全面性考虑 地震波入射角分别为、入射方式均为一致 在模型上作用荷载具有波形等效特点 波形入射示意如图 图 地震波时程曲线图 波形入射示意塔体结构受地震动荷载影响 会具有协同共振特点 从进水塔结构模型上选取多个关键特征点进行分析 分别位于塔底(、)、塔中(、)以及塔顶(、)同时 在塔体模型上选取关键区域 作为应力分布及变化的衡量节点 如图 理

8、论研究水利技术监督 年第 期所示 基于上述关键节点的应力、位移以及加速度响应特征分析 探讨 波不同入射角工况下进水塔结构的动力响应差异图 关键特征点分布 泵站进水塔结构应力、位移响应特征 应力特征基于进水塔结构动力响应计算 获得了塔体结构各关键特征点处主应力特征 如图 所示 依图 可知 不同入射角方案下 主应力在特征点上的表现不同 在入射角 时 塔底 点 第一主应力从 过渡至 整体呈递减但在 特征点处 主应力具有稳定态势 维持在 当入射角为、时 各特征点处主应力变化态势各有异性 比如入射角 时在特征点 处 主应力呈递增变化 分布在 分析可知 入射角变化 会改变各特征点间主应力变化趋势特征 也会

9、破坏塔体结构特征点主应力关系联系性 从主应力量值水平分析可知 当入射角愈大 总体上主应力量值水平愈高 此规律在各特征点处均是如此 入射角 方案下 特征点主应力为 而入射角为、时 相应特征点处主应力较之分别提高了 、特别是在入射角 区间内 当入射角每递增 会引起特征点主应力增大 同样 在、特征点处亦是如此 主应力随入射角分别具有平均增幅、对比塔顶、塔底特征点主应力增幅可知 塔底主应力受入射角影响敏感性更显著 从计算结果宏观来看 入射角与主应力量值水平为正相关 尤其在入射角超过 后的 三方案中 主应力量值水平增幅最为明显图 各关键特征点处主应力特征 位移特征从动力响应计算结果中提取获得了各向位移变

10、化特征 如图 所示 从图中位移特征可知 各特征点的、向位移变化趋势性具有一致性 向位移均为递增 而 向位移在各特征点中保持稳定 相比之下 向位移的趋势变化无序性更显著 特别是在特征点 在 向位移中 随入射角递增 位移值减小 同是特征点 入射角 时为 而入射角、方案下位移值较前者分别减少了 、在 六个特征点中 随入射角 变化 位移量值降幅分布为 从特征点上 向位移增幅来看 三个入射角方案中 位移增幅较为接近 从 特征点 入射角 下位移分布为 平均增幅为 而在入射角时 位移分布为 平均增幅为 向位移在各特征点中均保持恒定 入射角、三 方 案 中 分 别 为 、入射角愈大 向位移值愈高 此种现象与

11、向位移相反 总体上可知 塔体结构特征点上 向位移分布具有一致性 受入射角影响 量值会有提高在 特征点中 同一入射角方案中 特征点为 后 位移量值出现差异 总体上呈“增 减 增”变化 对比入射角对 向位移量值影响 在、特征点处 入射角愈大 向位移值愈低 但在 特征点处趋势与之相反 分析认为 波形入射角对 向位移影响最大 塔体结构特征点上位移变化与量值水平 具有突变性 此与地震波的输入方向决定了塔体结构 向平衡性 进水塔结构抗震设计时应着重关注 年第 期水利技术监督理论研究图 各向位移变化特征 泵站进水塔结构加速度响应特征依据进水塔结构地震波荷载输入计算 可获得结构加速度响应变化特征 如图 所示

12、由图 可看出 在各入射角方案中 加速度变化趋势特征具有一致性 加速度响应最高均为、特征点在入射角方案中 特征点、处加速度响应值分别为 /、/、/而 特征点处加速度响应水平较前者三个点分别提高了、而特征点、处响应值分别为 /、/由此可知 塔顶特征点加速度响应水平高于塔底 地震动响应水平更应关注塔顶处 当入射角增大 塔体结构上加速度响应水平均为递增 增幅趋势也有差异性 在入射角方案 特征点 处加速度响应均值为/而入射角、方案下响应均值分别为/、/其中入射角 下较之、下分别提高了 倍、倍 当入射角每递增 导致塔体结构加速度响应均值提高 在入射角、上 加速度响应均值对比增幅更大分析认为 地震波形的入射

13、方向超过均匀波形角()则塔体加速度响应水平更大 造成危害更大图 加速度响应变化特征 结论()不同入射角方案下 塔体结构特征点处主应力响应值变化具有无序性 入射角愈大 塔体主应力量值水平愈高 尤以入射角 下增幅最为显著()改变入射角、向位移变化趋势特征保持一致 分别为递增、稳定不变 而随入射角增大 两向位移值分别为递减、递增 受入射角影响 向位移变化无序性明显()在各入射角方案中 塔顶处加速度响应水平均为最大 入射角增大 塔体特征点处加速度响应值均为递增 且在入射角超过后增幅更显著()从塔体结构抗震设计考虑 关注塔顶处安全与 向位移更为重要参考文献 刘忠干.基于 的水利枢纽闸门预应力结构参数设计

14、优化理论研究水利技术监督 年第 期研究.广东水利水电():.杨松 陶光慧 覃志强 等.基于 浅析表孔弧形闸门支臂及其支承结构静力特性.水利科学与寒区工程():.潘英杰 徐建军 董帮伟 等.含启闭机房进水塔结构静动力分析.湖南水利水电():.李元浪.抽水蓄能电站进水塔混凝土排架结构尺寸优化设计.水利科技与经济 ():.杨庚鑫 李艺.基于振型分解反应谱法的深孔泄洪洞进水塔动力分析.水电站设计 ():.吴建兴 韩俊岭.基于反应谱和时程法的深孔放空洞进水塔三维有限元动力分析.河南水利与南水北调():.():.:.朱代富 张继勋 任旭华.地震波斜入射下重力坝的动响应分析.水力发电 ():.李明超 张佳文

15、 张梦溪 等.地震波斜入射下混凝土重力坝的塑性损伤响应分析.水利学报 ():.沈卫.基于有限单元分析法的电站进水塔抗震稳定性分析.东北水利水电 ():.张希 党康宁 韦子琛 等.考虑接触非线性的进水塔动力响应分析.陕西水利():.周松松 叶柏阳 孙益松.基于仿真计算下墩系梁增设切角对泵站进水塔结构抗震特性影响分析研究.水利科技与经济 ():.马国洋 郭振凯.某水电站进水塔地震作用下鞭梢效应分析.广东水利水电():.(上接第 页)养分损失量在降雨初期通常增加 后期随着降雨的持续而逐渐稳定 降雨量越大 养分损失越大 地表和地下养分损失差异显著 地表径流中的氮损失主要是颗粒形式 而土壤中的流失主要是

16、溶解的氮 水中的营养物质快速溶解的数量取决于土壤水分 水分含量决定了元素溶解和吸附的比例以溶解形式释放到径流中的养分总量随着土壤含水量的增加而增加 氮和钾较易溶于水 在溶解状态下损失较多 而地表径流是岩溶坡地雨季磷流失的主要方式 主要形式为颗粒磷和溶解磷 当径流冲刷表层土时 当表层土随径流迁移时 吸附在颗粒表面的磷也会流失 相关研究结果表明 径流流失的土壤磷主要是颗粒形式 最高可达到磷损失总量的近 细泥沙颗粒截留能力越高 地表磷的损失越大 结语本文以轻度石漠化坡耕地为研究对象 分析坡耕地土壤养分流失的规律 得到以下结论:()降雨强度是影响坡地径流的重要因素 其大小将直接影响径流量 随着降雨持续

17、时间的延长 不同降雨强度下的地表和地下养分浓度大部分呈现逐渐下降的趋势 但没有表现出明显的初始侵蚀效应()养分损失量在降雨初期通常增加 后期随着降雨的持续而逐渐稳定 降雨量越大 养分损失越大 地表和地下养分损失差异显著()由于人工模拟的局限性 土壤介质的处理、底板岩石结构、孔隙和裂缝分布及基岩暴露率之间存在偏差 在以后的研究中可进行定点定性现场试验 对地下裂缝的形态和连通性进行详细调查 获得更详细的数据 确定坡地养分流失模式参考文献 余政兴 孙宁.引发某近坝库岸滑坡失稳临界蓄水位研究.水利技术监督():.冯军 石超 门胜男 等.不同降雨下旱地油菜节水节肥技术对土壤养分及酶活性的调控效应.草业学

18、报 ():.宋嘉 李怀恩 李家科 等.鹦鹉沟小流域天然降雨条件下水土及养分流失特征.水土保持研究 ():.杨祎 武娅娟 田宽娟.张掖湿地土壤 地下水环境对天然植被生态系统的影响.水利规划与设计():.彭旭东 戴全厚 李昌兰.模拟降雨下喀斯特坡耕地土壤养分输出机制.生态学报 ():.脱云飞 沈方圆 杨翠萍 等.滇中高原降雨对不同地类土壤磷素、有机质和 变化的影响.生态环境学报 ():.李渊.喀斯特高原峡谷典型小流域石漠化水文过程与碳氮流失机制.贵州师范大学.由琴婧 张化永 黄头生 等.不同配置植被过滤带坡面氮磷流失过程的人工降雨试验研究.湖北农业科学 ():.窦韦强 田乐乐 肖波 等.黄土高原藓结皮土壤呼吸速率对降雨量变化的响应.生态学报 ():.黄薇 王冬梅 李平 等.青海高寒区典型植被地表径流及氮磷流失特征.农业工程学报 ():.