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 511300)

0 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[1-2]，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[3-4]，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[5]、吴建兴等[6]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。Heymsfield E.[7]、ALEMBAGHERI M.[8]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意义。朱代富等[9]、李明超等[10]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。

1 研究方法

1.1 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8台轴流泵，运行总流量为81.6m3/s，单机流量可达10.2m3/s，全功率运行下年输水超过3200万m3，引水为1500万m3，有助于新通扬运河以及淮河入江段泄洪排涝，设计排涝流量可达23m3/s，最大扬程为7.8m。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1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5000h，实现水利发电超过3500万kW·h，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2016—2021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，对江都一站进水塔开展结构动力响应水平分析。

图1 江都水利枢纽分布示意

1.2 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ABAQUS有限元计算平台中，获得了进水塔结构有限元模型，如图2(a)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X～Z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60m，X、Y向计算范围为120m，Z向计算范围为150m，且Z向范围涵盖了地基向下深度30m。经ABAQUS有限元平台划分网格，共获得模型网格单元348264个，节点数为396482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73.5%，如图2(b)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2 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16%～20%，为芒稻河下游平台典型代表，密度为1.7g/cm3，基岩为半风化灰岩，单轴强度超过40MPa，变形模量为13.2GPa，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Taft地震波为输入荷载[1，11]，该波形前20s加速度时程特征如图3所示，峰频加速度为0.3g。计算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Taft地震波，并限定入射角35°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，Taft地震波入射角分别为0°、15°、30°、45°、60°、90°，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4。

图3 地震波时程曲线

图4 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(1#、5#)、塔中(3#、4#)以及塔顶(2#、6#)。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5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Taft波不同入射角工况下进水塔结构的动力响应差异。

图5 关键特征点分布

2 泵站进水塔结构应力、位移响应特征

2.1 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6所示。依图6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0°时，塔底1#～4#点，第一主应力从6.32MPa过渡至4.23MPa，整体呈递减，但在5#～6#特征点处，主应力具有稳定态势，维持在3.3MPa。当入射角为30°、60°时，各特征点处主应力变化态势各有异性，比如入射角45°时，在特征点5#～6#处，主应力呈递增变化，分布在10.6～13.1MPa。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0°方案下，3#特征点主应力为4.24MPa，而入射角为15°、60°、90°时，相应特征点处主应力较之分别提高了82.2%、159.3%、328.3%，特别是在入射角45°～90°区间内，当入射角每递增15°，会引起3#特征点主应力增大37.2%。同样，在2#、4#、6#特征点处亦是如此，主应力随入射角分别具有平均增幅24.8%、27.9%、59.9%，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35°后的45°～90°三方案中，主应力量值水平增幅最为明显。

图6 各关键特征点处主应力特征

2.2 位移特征

从动力响应计算结果中提取获得了各向位移变化特征，如图7所示。从图中位移特征可知，各特征点的X、Y向位移变化趋势性具有一致性，X向位移均为递增，而Y向位移在各特征点中保持稳定。相比之下，Z向位移的趋势变化无序性更显著，特别是在特征点4#～6#。在X向位移中，随入射角递增，位移值减小，同是特征点5#，入射角0°时为576.1mm，而入射角45°、90°方案下位移值较前者分别减少了34.4%、76.5%，在1#～6#六个特征点中，随入射角45°变化，位移量值降幅分布为47.6%～60.9%。从特征点上X向位移增幅来看，三个入射角方案中，位移增幅较为接近，从1#～6#特征点，入射角0°下位移分布为449.6～566.2mm，平均增幅为8.7%，而在入射角90°时，位移分布为24.1～158.4mm，平均增幅为13.5%。Y向位移在各特征点中均保持恒定，入射角0°、45°、90°三方案中分别为47.2mm、125.6mm、237.4mm，入射角愈大，Y向位移值愈高，此种现象与X向位移相反。总体上可知，塔体结构特征点上Y向位移分布具有一致性，受入射角影响，量值会有提高。

图7 各向位移变化特征

在1#～3#特征点中，同一入射角方案中，特征点为4#～6#后，位移量值出现差异，总体上呈“增-减-增”变化。对比入射角对Z向位移量值影响，在4#、6#特征点处，入射角愈大，Z向位移值愈低，但在5#特征点处趋势与之相反。分析认为，波形入射角对Z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Z向平衡性，进水塔结构抗震设计时应着重关注[12-13]。

3 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8所示。由图8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2#、4#、6#特征点；在入射角30°方案中，特征点1#、3#、5#处加速度响应值分别为0.66m/s2、0.84m/s2、0.67m/s2，而6#特征点处加速度响应水平较前者三个点分别提高了92%、51.1%、90.3%，而特征点2#、4#处响应值分别为1.11m/s2、0.97m/s2。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0°方案，特征点1#～6#处加速度响应均值为0.41m/s2，而入射角30°、60°方案下响应均值分别为0.92m/s2、1.75m/s2，其中入射角90°下较之0°、30°下分别提高了5.82倍、2倍；当入射角每递增30°，导致塔体结构加速度响应均值提高91.8%，在入射角60°、90°上，加速度响应均值对比增幅更大。分析认为，地震波形的入射方向超过均匀波形角(35°)，则塔体加速度响应水平更大[14]，造成危害更大。

图8 加速度响应变化特征

4 结论

(1)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45°～90°下增幅最为显著。

(2)改变入射角，X、Y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，Z向位移变化无序性明显。

(3)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35°后增幅更显著。

(4)从塔体结构抗震设计考虑，关注塔顶处安全与Z向位移更为重要。