河床式水电站厂房地震荷载分布规律研究

河床式水电站厂房地震荷载分布规律研究
李锦成1
于丽伟2
（1.二滩水电开发有限责任公司，成都，610021；2.重庆交通大学河海学院，重庆，300074） 摘要: 本文通过对多个河床式水电站厂房的自振特性进行分析，根据反应谱理论以大型有限元软件ANSYS 为计算工具，分析计算了水电站厂房的水平地震加速度分布系数。

将计算的水平地震加速度分布系数与现行河床式水电站厂房规范规定的水平地震加速度分布系数进行比较分析。

关键词:河床式水电站厂房 水平地震荷载 地震加速度分布系数 反映谱理论
Study of the Seismic Load in W orkshop of Hydropower Station in River Channel
LI Jin-cheng YU Li-wei
一、引言
近年来随着厂房受地震震害的频繁发生，震害调查的结果引起人们的关注，我国的研究人员也开始对水电站厂房抗震问题的进行了广泛研究。

在水电站厂房抗震设计中，水平地震加速度分布系数是关系厂房抗震稳定重要设计参数。

水平地震加速度分布系数主要是地震荷载分布系数在厂房高度上的分布规律。

我国学者在20世纪70年代就开始对各种型式的水电站厂房的地震荷载分布规律进行了研究。

据业内人士透漏，现行水电站厂房设计规范规定的河床式水电站厂房地震荷载水平加速度分布系数，只是对某一座河床式水电站厂房进行计算得到的，因此我们有必要对其进行进一步的研究。

本文以多个河床式水电站厂房为主要研究对象，以有限元软件ANSYS 为计算工具，建立了平面有限元模型。

通过对厂房平面模型的动力分析计算，分别计算出地震加速度分布系数。

分析了河床式水电站厂房的地震加速度分布系数与现行厂房规范相关规定之间的异同点。

二、基本原理
在应用反应谱理论进行水电站厂房地震荷载计算过程中，首先应该确定场地的基本烈度和设计烈度，进而确定设计加速度，然后根据规范中规定的反应谱曲线求出动力放大系数、特征周期、振型参与系数等基本参数，最后把所得的参数进行组合求出地震荷载。

《水电站厂房设计规范》（SL226－2001）中规定，一般情况下，水电站厂房建筑物可只考虑水平向地震作用，除1级壅水厂房应按动力法进行抗震计算外，其余厂房可采用拟静力法计算。

因此，拟静力法计算地震荷载在水电站厂房的地震荷载计算中有着重要的作用。

然而拟静力法主要围绕就是动态分布系数i α的计算和确定，动态分布系数也即水平地震加速度分布系数i α是指，i α是指当地震时地面运动最大峰值为单位重力加速度g 时，于i 分段重心处所引起的单位重力加速度的放大倍数。

本文即主要研究河床式水电站厂房水平地震加速分布系数i α的分布规律。

由于地震时建筑物的绝对加速度是由地面加速度和建筑物的相对加速度组成，水工建筑物的动态分布系数i α计算组合方式按式1进行计算：
作者简介：李锦成，男，（1980—），二滩水电开发有限责任公司
∑∑+
-=
j
j
j j j
j j
i i X i X 2
2
2
]
)([)](1[βη
η
α 式1
式中：)(i X j —质点i m 在第j 振型中的水平位移；j η—振型参与系数；j β—动力放大系数。

对于河床式电站厂房地震荷载分布系数i α的研究，本文主要通过理论分析、计算、对比归纳，寻求多个河床式电站厂房地震荷载加速度分布系数的一般规律。

从而指导河床式水电站厂房的抗震计算。

三、计算模型的建立
本文对葛洲坝、富春江、凌津滩、天桥、西津、麻石、万安等河床式水电站厂房进行了平面的有限元模拟及自振特性分析，进而研究了它们的水平地震荷载分布规律即地震加速度分布系数。

1.计算基本假定及简化计算模型
河床式水电站厂房以发电机层为界，在发电机层以下部分是水工结构，在发电机层以上部分类似于工业民用建筑的厂房结构。

本文对各厂房的地震荷载规律研究中均按弹性处理。

这也是反应谱理论进行地震荷载规律计算中的基本要求。

由于水电站厂房动力问题的具有复杂性，为了对它进行有效的分析研究，在应用反应谱方法进行地震荷载规律计算中，通常采取合理的简化假定。

各河床式水电站厂房进行沿着机组中心剖面的模型简化。

把发电机层下的大体积混凝土概化成无孔洞平面模型处理；基础是刚性基础，各点的运动完全一致，模型在基础处全约束；混凝土材料各向同性的线性弹性材料。

2.各河床式水电站厂房简化模型及尺寸特性表
根据上述基本假定及各河床式水电站厂房图纸，对其进行平面模型简化，则各河床式水电站厂房的模型简图见图1－1～图1－8。

富春江
1－4天桥图1－5西津图1－6麻石
富春江凌津滩
图1－4 天桥图1－5 西津图1－6 麻石
图1 各厂房简化模型
水电站厂房的结构尺寸特性见表1:
表1 厂房结构尺寸特性表
3．有限元模型的建立
本文在进行有限元计算时，采用大型有限元软件ANSYS，有限元模型根据上述的厂房平面尺寸进行模拟。

单元采用实体单元Plan42单元进行划分。

混凝土采用平面体单元进行模拟，梁柱采用平面梁单元进行模拟。

利用有限元网格剖分，将厂房平面结构离散化为合理的力学分析模型。

混凝土和钢材均采用线弹性模型，其参数见表2。

在典型的有限元模态分析中唯一有效的“载荷”是零位移约束，其它类型的载荷(力、压力、温度、加速度)可以在模态分析中指定，但在模态提取时将被忽略，因而只给有限元模型施加位移约束边界条件，在厂房基础处限定所有自由度方向的位移。

四、厂房的自振特性
本文根据ANSYS有限元建立厂房的平面模型，按照弹性体系进行二维动力有限元分析计算。

各电站厂房均进行了前10阶的自振特性计算，结果得到的各水电站厂房模型的自振频率见表3：
表3 各厂房的前10阶频率(Hz)
图3-1～图3－3列举了葛洲坝、凌津滩、麻石水电站厂房模型的前四阶的振型。

3—1 葛洲坝电站厂房前四阶振型
图2－1葛洲坝电站厂房前四阶
图2－2葛洲坝电站厂房前四阶
图2—3 麻石电站厂房前四阶振型
经过计算，各模型的的低阶振型主要是上部排架的振动，而高阶振型为并联体的耦合振动。

这主要是因为上部体系的刚度相对下部大体积混凝土刚度较低的原因。

五、水平地震荷载分布规律计算
1．参数计算
根据各河床式水电站厂房的自振特性的计算分析，对各水电站厂房模型沿主剖面高度分成十等分。

分别计算出各层代表重量，提取出各层振型代表值，对提取出的数据进行振型归一，取顶部1.0h处的振型为1.00，对提取数据进行振型归一化处理。

结合设计反应谱曲线并根据各水电站厂房模型的自振频率计算出相应的动力放大系数，并计算各阶频率对应的振型参与系数。

对各厂房水平振型参与系数见表4：
表4 振型参与系数
2.厂房水平地震加速度分布系数
根据表4所计算的振型参与系数及经过振型归一化处理的振型数据，根据公式1可求出各个电站厂房的加速度分布系数。

其计算结果如表5所示：
表5 地震荷载加速度分布系数
根据表5计算的各电站厂房的水平地震加速度分布系数，可以绘出加速度分布曲线如图
3－1所示。

把各电站厂房的沿高度方向的水平地震加速度系数及它们的均值曲线以及规范中关于河床式水电站厂房地震荷载加速度分布系数曲线绘制如图3－2所示。

图3－1 各厂房地震加速度系数分布图3－2 均值分布与规范值对比图根据表5中厂房尺寸特性及发电机层楼板处水平地震加速度分布系数及厂房顶部加速度分布系数如表6所示。

表6 各电站厂房几何特性及 系数分布规律分析表
从表6可以看出：发电机层楼板处地震加速度分布系数随着发电机层高度比例的升高整
体成增加的趋势。

从总体上来看发电机层楼板处，地震加速度分布系数在2.0附近分布。

厂房的顶部地震加速度分布系数均接近4.0。

图3－2中，规范值是发电机层高度为0.6h时给定的规范曲线，从均值曲线与规范曲线比较，可知两曲线的变化趋势大致相同，从整体上看规范规定抗震曲线设计值能够满足抗震
荷载计算的要求。

六．结论
1．本文对多个河床式水电站厂房进行动力特性分析，并以反应谱理论为基础进行地震加速度分布系数的计算。

本文建立平面动力分析模型能够比较正确地反映厂房顺河流方向的振动主要特征，能方便地进行动力分析。

计算模型符合结构物理概念，在此基础上研究其水平向地震荷载分布规律是可行的。

2．本文通过对多个厂房的自振特性进行分析，根据反应谱理论计算了水电站厂房的水平地震加速度分布系数。

把各个电站厂房的水平地震加速度分布系数绘制成曲线，分析了它们与现行的厂房规范规定的计算曲线之间的异同。

3．综合对葛洲坝、富春江、凌津滩、天桥、西津、麻石、万安等电站厂房水平地震加速度分布系数的分布情况，它们都与规范规定的分布系数分布规律相符。

这进一步论证了水
电站厂房设计规范规定的加速度分布系数分布规律是符合实际情况的。

参考文献
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