白莲崖水库进水塔结构静动力分析

应力和加速度分布。将动力计算结果与静力计算 结果进行叠加 ， 对进水塔结构 抗震性能进行评估 ， 并提 出意 见供设计单位 参考 ，
为工程设计提供 了依据 。 关键词 ： 白莲崖水库 ； ｓｓ进水塔 ； Ａｎ ｙ ； 动力分析
中图 分 类 号 ： Ｖ６ １ＴＶ７ ２ １ Ｔ ７； ３ ． 文献标识码 ： Ａ 文章 编 号 ：６ ３５ ８ （０ １０ —７ ４０ １７ —７ １ ２ １ ）６０４ —３
壁 厚右 上至下 分别 为 １ ０ｍ、． ２ ０ｍ， 闭机平 ． １ ６ｍ、。 启
其 中 ， 为计算 块 计 算 单 元 的 自重 （ Ｎ） ｙ１ 计 算 ｋ ； Ｊ为 Ｊ
块混 凝土 重度 （ Ｎ／ ） Ｖ ｋ ｍ。 ； 为计 算 块 计算 单 元 的 相 应体 积 （ ） ｍ。。 （ ）静水 水压力 为 ２
考 虑风从 两个 方 向作 用于 进水塔 表 面 ： 水塔 迎 进 水 面 （ 正 向）进 水塔 左 侧 （ ｚ轴 、 轴 负 向 ） 。有 限元 计 算 的 主要 目的是 考虑 混凝 土结 构 的变形 与应 力情 况 ， 故 没有 考虑 作用 在基 础 上 的水 压 力 以及 其 它 建 筑 物 引 起 的附加 边荷 载 ， 仅反 映基 岩 刚度对 混凝 土结 构 仅
及 塔顶 的桥 台。
表 １ 三 向 地 震 的最 大位 移 值 Ｆｍ ｉ ｌ
其中 ， ０ 为风荷载标准值 （Ｎ ｍ。 ； 为 高度处 的 ３ ｋ ／ ）＆ 风振系数 ； 为风压高度变化系数 ； 为风荷载体形 ／ １
系 数 ；。 基本 风压 （ Ｎ／ ） 叫为 ｋ ｍ。 。
此对 其进 行地 震反 应 研究 具 有 重 要 的理 论 价 值 和 现
实 意义 ， 其 对 大 型 进 水 塔 更 是 必 不 可 少 的 重 要 尤
环节 ］ 。
（１ 体 ａ枢
Ｉ１ ｂ 塔
图 １ 有 限 元 网格 图
白莲 崖水 库汛 期 限制水位 为 ２ ５０ｍ， ０． 汛后 正 常 蓄水 位 为 ２８０ｍ， ０． 死水 位 为 １０ ０ｍ。水 库 １０年 ８ ． ０
变 形 的影 响 。
根据文 献 Ｅ］ 三 个 方 向的地震 荷 载 组合 进 行 ： Ｇ将
① ￣ ＋ｙ 。② ／ ２ ＋（．Ｚ 。 Ｏ５ ） 。③ Ｙ ＋（． Ｚ 。 ２ ０５ ）
得 到最大 的进水塔的动位移 出现在塔顶 ， １．５ｎｎ 为 ８９ ＇ 。 ｌ ｒ
４ ３ 动应 力结 果分 析 ．
料动 强度 提 高 系数 取 １ ３ ． 。对 应 力 较 大部 位 进 行 强
为 了对 进水 塔在 地 震荷 载作 用 下 的 安全 性 能进 行 评估 ， 对在 地震 荷载作 用 下塔体 的动应 力 和静力 工 况作用 下 的静应 力进行 叠加 。按 文献 Ｅ］ ｓ要求 钢筋 混 凝 土结 构进 水塔 的截 面承 载力抗震 验算 时 ， 应对用 动 力法计 算 的 地 震 作 用 效 应 进 行 折 减 ， 减 系 数 为 折 ０３ ， ．５ 然后 再与静 力计 算结 果进行 叠加 。 进 水塔 在静 动力荷 载组 合之 后 ， 与静力 工况 比较 取 最大 值 和最小 值 （ ２ 的包 络进行 强度 验算 。 表 ）
较大。
（１ （２ ２ 程与建设》 ２ １ 年第 ２ 卷第 ６ ０１ ５ 期 ７ ５ ４
未挡水 。③ 特殊组合时校核洪水位 。④ 特殊 组合
动静叠加与强度验算
５ １ 动静 叠加分 析 ．
为结 构构件 抗力 系数 。 根据规 范［ ｙ一 １ １ 。 ． ， ０８ ， 一 １２ ｝材 ¨， — ． ５ ． ，］ ‘
３ 计算工况组合
根据文献［ ，］ ５８ 要求 ， 计算工况 主要考虑 以下 四
种 ： 基 本组 合 时正 常 蓄水 位 。② 特 殊组 合 时 完 建 ①
通过反应 谱分 析对 ￣ 工 况结 果分 析表 ／ ＋ ｘ
明， 在塔体和背水面岩石接触 的边缘出现应力集中，
其附近区域的主应力为 ４ＭＰ 左右 。塔体其他部位 ａ 的主应力 均小 于 ２ＭＰ ， ａ 下部应力 较小 ， 部应力 上
（）交 通桥 及 塔 顶建 筑 自重 荷 载 。交 通 桥 荷 载 ５
拟定 为 １４ ０ ｋ 塔 顶 建 筑 荷 载 拟 定 为 ２０ ０ｋ ０ Ｎ， ０ Ｎ。
按作 用 面均 匀作用 于 桥 台和塔 顶 。 （）扬 压力 。由于进水 塔 放 置于 水 库 中 ， 用 在 ６ 作 岩基 上 的扬 压 力 正 常 蓄 水 位 距 基 础 的 ５ 水 头 均 ０ｍ 匀 布置在 进 水塔底 面 。
表 ２ 最 大 最 小 位移 值 Ｆｍ Ｉ Ｌ
度验 算 ， 表 ４但 是该表 中均 为应 力 集 中部位 （ 见 ， 由表 ４中部位 可 以看 出）其他 部位 应力 均 较 小 ， 足 强 度 ， 满 验算 要求 。
表 ４ 动静叠加强度验算
６ 结 束 语
进 水塔 最 大竖 向应 力 的 包 络 显示 表 明 ： 塔 体 ①
于 １ＭＰａ 。
简 化 ， 修井 和工作 井 的拐 角 也存 在 应 力集 中现 象 。 检 经 强度 校核 主压应 力满 足要求 ， 主拉 应力 局部不 满足 要 求 ， 是不 满足要 求 的部位均 为塔 体背水 面 与岩石 但
白莲崖 水 库 进 水 塔 结 构静 动 力 分 析
夏 艳 霞
（ 肥铁 路工程学 校 ， 合 安徽 合肥 ２０１） ３ ０ １
摘
要： 进水塔结构属 于水下建筑物 ， 其地震安全性至关重要 。文章采用大 型三维有限元程序 Ａ ｓｓ 白莲崖水库进水塔计算 建 ｎｙ 对
立实体模 型 ， 析进水塔结构的 自振特性 ， 分 并通过反应谱方法计算了在水平 向地震作用下进水塔结 构的动力响应 ， 包括动位移 、 动
收稿 日期 ：ｏ ｉ０—４ 修 改 日期 ：ｏ 卜ｏ Ｏ ２ ｉ－９１ ； ２ ｉ ９３
作者简介： 夏艳霞 （９ １ ） 女 ， １８ ， 山东青州人 ， 硕士 ， 合肥铁路工程学校助教
７４ 《 ４ 工程与建设》 ２１ 年第 ２ 卷第 ６ ０１ ５ 期
相 应作 用 面 ， 即
／
ｗ
时正 常蓄水 位 ＋地 震 。
极 为 困难 ， 的安 全性 对 整 个 引 水 、 它 泄水 系统 甚 至 电
值朝上 ； 顺水流方 向为 工轴方向， 水流方向为 值方 向 ； 轴 为垂直 水流 方 向。
站 的安全 起着 举足 轻 重 的作用 ， 而且 由于 地 形 限制 ， 该进 水塔 的回填 高 度 比较 低 ， 自由 长度 达 ５ ０ｍ。因
白莲崖水库工程位于安徽省霍山县境 内东淠河
佛 子岭水 库 上 游 西 支 漫 水 河 上 ， 发 任 务 以 防洪 为 开 主， 兼有 发 电 、 灌溉 、 水 等 综 合 利用 效 益 ， 库 总库 供 水 容 ４５ ．１亿 ｒ。 电站 总装 机 容 量 ５ ｎ， ＯＭＷ 。 由于 进水 塔塔 体结 构细 高 ， 而且 修 建 在 水 中 ， 震 破 坏 后 修 复 地
（）进水 塔结 构地震 与静 力叠 加 计算 表 明 ， 体 １ 塔 的最大位 移为 １．５ｍｍ， 体 的竖 向应 力 基本 为压 ７５ 塔 应力 为主 ， 是迎水 面 存 在 拉应 力 状 态 ， 但 由于校 核 洪
水 位浪 压力作 用 ， 顶 有 应 力集 中现 象 ， 由于模 型 塔 且
河 向弯 曲， 第二阶 自 振频率为 ２ ９６３Ｈｚ为顺河 向 ． １ ，
弯 曲 ； 三 阶 自振 频率 为 ６９ ７５Ｈｚ为扭 曲。前 三 第 ． １ ， 阶振 型见 图 ２所示 。
本次计算选用参数为 ：Ｏ年超越概率 １ 的基岩水 ５ ０ 平 峰值加 速 度 １４ ７ｍ／。 ．４ ｓ。
下部均 为压 应力 ， 最大 压应 力为 ３ ５ ａ ．５ＭＰ 。② 塔 体 上部压 应力 和拉 应力 同时存 在 ， 体 的迎水 面为拉 应 塔 力状 态 ， 大拉应 力 为 ２ １ ａ塔体 的背 水 面为压 最 ．８ＭＰ ，
应力 状 态 ， 小 于 １ ＭＰ ， 部 有 部 分 压 应 力 大 均 ａ中
一
２ 计算 荷载
（ ）计算 块 自重 为 １
Ｇ ＝ ＝ ＝ × Ｖ （ ） １
遇设计 洪水 位为 ２ ０ ３ ５０ ０年一遇 校核 洪水 １ ． ５ｍ， ０
位 为 ２ ３ ７ ３ ． ５ｍ。
１ 计算模型
进水 口底 板 高 程 １００ｍ， 孔 尺 寸 ５９ｍ × ６． 闸 ． ４ ５ｍ（ ×高 ）两侧墙 厚度 ３５ｍ， ． 宽 ， ． 上部 由检 修 门井 和 工作 门井 两 个 井 筒 组 成 ， １． ７ｍ， ｌ． 长 ３８ 宽 ０ １ｍ，
． 、一Ｏ ２ ．
（一 （ ） ）
【 ）
（ ３ ）
由于风 荷载 和地 震 荷 载 的方 向不 同具 体 的计算 工 况共 ８ ， 载 的作 用分项 系数 按文 献 Ｅ］ 值 。 个 荷 Ｔ取
其 中， ＾ 为水深 ｈ处单位高度动水压力附加质量 ｍ （） 代表值 ； （） 为附加质量分布系数； 为形状系数 ； Ａ 为塔体沿高度平均截面与水体交线包络面积 ； ａ为 塔体垂直地震作用方 向的迎水面最大宽度沿高度 的 平 均值 。
（） ７ 浪压力 。根据文献［］ 由设计院提供资料 ， ６， 并 考虑 正常 蓄水位 和校 核 洪 水 位水 位 的不 同分 别 计
算 出集 中力 的 大 小 及 布 置 位 置 ， 加 于 进 水 塔 迎 施
水面。
（）赫 ａபைடு நூலகம்
阶
（１ ｂ 第 ， 阶
（） ｃ 第 阶
图 ２ 自振 振 型 图
台高程 ２ ５０ｍ， ３ ． 左侧 架设 ２ 预 制 Ｔ形 梁桥 连接 对 跨
外交通 。进水塔最大高度 ７． ７０ｍ。采用 Ａ ｓｓ ｎｙ 对结
构 进行有 限元 模拟 ， 限元 网格 和塔 体有 限元 网格 见 有
图 １ 所示 。 Ｌ ｊ
计算模型的坐标 系规定为： 为高 度方向， 轴 正
４ ２ 动位移 结果 分析 ．
（）动水 压 力 。本 次 计 算 仅 考 虑 渐 变 流 时 均 压 ８ 力， 计算 公式 为 Ｐ ＝ｐｇ ｃｓ， ￣ｈ ｏ０作用 于进 水 口。 （）风 荷载 。其 标准 值根 据文 献 ［］ ９ ７选取 ， 即
（ Ｏ ｋ一 ｏ （） ４
对 三个 方 向的地 震 分 别进 行 反 应 谱分 析 的位 移 最 大计 算结 果见 表 １塔 体 的最大 位 移均 出现在 塔 顶 ，
水库场地基 岩水平峰值加速度 为 １４ ７ ／ ．４ ｍ ｓ。场地
为 Ｉ类场 地 ， 其特 征 周 期 可取 ０ ２ ， 构 混 凝 土 的 ．０Ｓ结
进水 塔 的第 一 阶 自振 频 率 为 １９ １３Ｈｚ 为横 ． １ ，
阻尼 比可取 为 ５ ， ％ 设计 反应 谱最大值
一２ ２ 。 ．５
Ｐ 一 ｙ × Ｈ 水 （ ） ２
其 中，水 水体 的重 度 ， 算 中取 ７ ｙ为 计 水一９８ Ｎ ｍ， ． １ｋ ／ ￣ ； Ｈ（ 为作用水头 。计 算 中全部 静 水压力 按 照分 布面 ｍ） 力施加在相 应的作用面上 。 （）动水 压力 附加质 量 。根据文 献 Ｅ ］ ３ ｓ 的相 关 规 定： 采用 动力法 计算进 水塔 地震 作用效 应 时 ， 内 、 塔 外 可分 别作 为塔 内 、 表 面 的 附加 质 量 考 虑 ， 外 并作 用 在
（）地 震 ：０年 超越 概率 １ ％ 的条 件 下 ， ４ ５ ０ 白莲 崖
４ 动力计算成果与分析
以进水 塔正 常蓄水 位状 态作 为研究 工况 ， 进行结 构 动力 特性 分 析 和 地 震 荷 载 作 用 下 Ｘ、 ｚ 三 个 方 ｙ、 向 的反 应谱 计算 ［ ］ 。
４ １ 自振 特性分 析 ．