大型高墩通航渡槽墩身二级设防水准地震响应分析

高兴赞，何雄君，秦清波，尹栋佳，陈宇琨

(1.武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063;2.长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430030)

大型高墩通航渡槽墩身二级设防水准地震响应分析

高兴赞1，何雄君1，秦清波2，尹栋佳1，陈宇琨1

(1.武汉理工大学交通学院，湖北武汉430063;2.长江勘测规划设计研究院，湖北武汉430030)

为了研究大型高墩通航渡槽墩身的地震响应，以乌江构皮滩水电站大型渡槽为例，基于纤维单元模型的方法分析渡槽墩身结构地震响应的规律。结果表明:空槽状态地震作用E1和E2主要影响墩身结构的剪力和弯矩，且其数值与地震动加速度成正比;满槽状态地震响应对墩身结构的轴向力影响较大，墩身的轴向力是空槽状态下的1.08～1.45倍，但是剪力和弯矩变化不大;墩身越高轴向力在满槽状态动水作用下的地震响应变化幅度越小;满槽状态，在E1地震作用下墩身各潜在非弹性铰截面均未出现明显的塑性变形，保持在弹性状态，在E2地震作用下，墩身潜在非弹性铰产生大面积的塑性变形。这些二级设防应力分布特征有利于大型高墩渡槽墩身整体及局部的抗震能力设计。

大型高墩通航渡槽 墩身结构 纤维模型 地震响应分析

通航渡槽是兼作输水和航运的主要水工建筑物，是极为重要的生命线工程［1］。由于渡槽结构上部大质量水体晃动的影响，考虑数倍于结构自重的水体的动力影响是渡槽抗震设计的关键［2］。本文对乌江构皮滩渡槽方案的墩身进行E1和E2地震作用下的响应分析［3］，研究在不同地震强度作用下大型高墩渡槽墩身结构动力响应的特点，以利于墩身整体及局部的抗震能力设计。

1 工程概况

1.1 渡槽总体布置

构皮滩通航建筑物采用带中间渠道的三级垂直升船机方案，受地形条件制约，中间渠道中采用渡槽段，其中与第2级升船机连接的3#渡槽长264 m，航槽宽15～37 m，通航水深3.3 m，墩身最大高度超过100 m。3#渡槽总体布置如图1所示。

图1 3#渡槽总体布置(尺寸单位:cm;高程单位:m)

渡槽上部采用4×33 m预应力简支T梁+4× 33 m预应力先简支后连续T梁结构，下部采用桩柱式墩和箱型墩。

3#渡槽横断面布置两侧为0.7 m+2.4 m(侧墙)，中间渡槽宽由37 m过渡至15 m，总宽度由43.2 m过渡至21.3 m。

1.2 地震参数

1986年云南省地震局对该工程所在地区地震烈度进行了复核，认为“构皮滩工程场地地震基本烈度以Ⅵ度为宜”。该意见经过了国家地震局全国地震烈度评定委员会审查同意。该工程结构属于B类(桥梁)，高速公路或一级公路大桥E1，E2地震作用下抗震重要性系数分别为0.5，1.3［3］。考虑到该工程的重要性，对其抗震指标提高一级。抗震计算地震参数取值如下:结构类别按A类项目进行抗震设计，即E1地震(50年超越概率10%，重现期约475年)作用下抗震重要性系数为1.0，E2地震(50年超越概率2%，重现期约2 475年)作用下抗震重要性系数为1.7。

采用文献［3］中规定的反应谱，依据《中国地震动参数区划图》(GB18306—2001)及文献［3］规定的地震反应谱参数拟合成地震波，见图2。

图2 纵向和横向地震反应谱与地震波的拟合

根据结构动力学原理，将地震波谱作为动力荷载输入渡槽结构系统，就可以确定渡槽结构在地震作用下的动力响应(包括结构位移、内力、应力等)。

2 渡槽结构地震响应分析

2.1 结构在地震动作用下的地震响应方程

渡槽等建筑结构抗震通常采用两水平设防两阶段设计，即:在E1地震作用下，结构变形与恢复力之间近似于线性比例关系，截面的应力保持在线弹性范围内，此时地震响应可以应用线弹性振动理论计算得到;在E2地震作用下，允许部分截面应力达到塑性范围，但不致产生重大结构破坏，此时地震响应可以应用弹塑性理论计算结构地震响应。

在线弹性范围内，将结构离散成为有限多个单元的集合体，然后采用Hamiltion变分原理，可导出单元体的动力方程［4］

时程分析法是对结构物的运动微分方程直接逐步积分求解的一种动力分析方法［5］。桥梁结构弹塑性地震响应的时程分析方法是将结构离散成为弹性或弹塑性振动系统，对运动微分方程直接进行逐步积分求解的一种动力分析方法。由时程分析可得到各质点随时间变化的位移、速度和加速度动力反应，进而可计算出构件内力的时程变化关系。该方法能准确而完整地反映出结构在强烈地震作用下反应的全过程。

直接积分法就是对方程逐步地进行数值积分，其基本思路是:把时间全程T划分为n个相等的时间区间Δt(即Δt=T/n)，假定在0，Δt，2Δt，3Δt，…，t时刻方程的解已知，从而推导出t+Δt时刻方程的解，这样从时刻0开始逐步求解，即可确定在0，Δt，2Δt，3Δt，…，t，…，T时刻方程的近似解。

2.2 基于纤维模型的结构弹塑性地震响应分析

工程中常采用基于纤维模型的空间梁单元的方法来分析结构的弹塑性地震响应［6-8］。大型渡槽宽度较大，横向截面的内力分布十分复杂，不完全遵守平截面假定。本文主要讨论渡槽墩身的动力响应而非上部结构，因此忽略了这一因素，采用了具有一定简化作用的纤维模型。在动力荷载作用下，墩部的钢筋可能屈服，混凝土会开裂甚至破碎，且墩部受到的轴力会发生变化，轴力和弯矩间复杂的耦合关系，将会明显影响墩部的承载力和延性。大量已有研究表明，采用纤维模型是分析此类结构非线性问题的较好方法［9］。

纤维模型(图3)是将梁单元沿纵轴向划分成若干个截面条，各截面条的应变、应力状况用它中心点的值来近似，用求和的方法代替积分计算。

图3 纤维模型

基于纤维模型的空间梁单元的基本假定:①塑性区域的弯曲变形、轴向变形符合平截面假定;②不考虑剪切变形对材料弹塑性的影响，且忽略剪力引起的剪切变形;③忽略扭转变形对弹塑性状态的影响，认为扭转是弹性的，且与弯矩、轴力不耦合。

纤维模型的弹塑性地震响应运动方程与前面介绍的弹塑性地震响应运动方程相同，将单元刚度矩阵代入上述方程，采用直接积分法可得到结构的地震响应。

2.3 渡槽内水体的处理

渡槽内水体质量很大，地震作用下水体的晃动作用不容忽视。研究表明［10-11］:渡槽中的水体对渡槽体系有调谐液体阻尼器(TLD)减震效果，不能以简单的水体质量来模拟动水状况，因此在建模时将渡槽内水体质量折减后以附加质量的形式加在上部结构上。附加质量是由韦斯特伽德(Westergaard H.M)提出的，他求解了垂直刚性坝面在水平简谐地面运动情况受到的动水压力［8］。其附加质量公式常用于水工模型试验中模拟水的动力学效应。根据类似结构动水压力及Westergaard附加质量的计算方法，计算渡槽结构动力响应时槽体一侧单位面积水的附加质量为

式中:MW(z)为距离水面z处的附加质量;z为计算点到水面的距离;h为渡槽内水的深度;ρ为水的密度。

由于附加质量是基于半无限大水域得出的，在应用于有限的水域时要乘以一个折减系数η。η的取值见表1，表中B为水面宽度。

表1 有限宽度水域时附加质量的折减系数

地震效应下进行结构非线性时程分析时，通过Midas/Civil2006中提供的纤维单元模拟墩身截面，并考虑延性截面的有效截面抗弯刚度。纤维模型用来定义多轴铰的滞回模型，即将梁单元的截面分割成只发生轴向变形的纤维来进行分析的模型。纤维模型还可通过各纤维的材料应力—应变关系和截面上变形分布特性的假定非常精确地反映截面的弯矩—曲率关系。

活动支座考虑支座摩阻力。结构分析模型如图4所示。

图4 结构分析模型示意

3 大型高墩渡槽墩身结构地震响应分析

根据文献［3］规定的偶然荷载组合，分别计算结构在E1和E2地震效应下空槽和满槽状态时墩顶及墩底的内力。

表2、表3分别为渡槽在空槽状态下及满槽状态下基于E1或E2地震作用的最不利内力偶然组合标准值的计算结果。

表2 渡槽空槽状态下地震内力组合时桥墩内力

表3 渡槽满槽状态下地震内力组合时桥墩内力

由表2、表3知:

1)地震作用大小(E1和E2)主要影响墩身结构的剪力和弯矩，E2作用下的最大剪力和最大弯矩值约为在E1作用的1.7倍。轴向力增加幅度很小。说明地震作用主要影响结构的剪力和弯矩，且其影响大小与地震波的频谱数据成正比。

2)渡槽蓄水状态(满槽)主要影响墩身结构的轴向力，满槽状态下墩身的轴向力是空槽状态下的1.08～1.45倍，其中1#墩身变化幅度最大，7#墩身变化幅度最小，剪力和弯矩变化不大。这种变化需要分类讨论:1#～3#墩的上部结构截面不同，动水质量较大，导致轴向力较大;1#墩的变化幅度(1.45倍)大于2#墩(1.35倍)及3#墩(1.25倍)的变化幅度，说明水体质量在地震作用下有放大作用，水体作为动力荷载对地震响应影响很大;4#～7#墩的变化幅度逐渐减小，说明墩身高度对于动力响应有一定影响，墩身越高，轴向力在满槽状态(动水作用)下的地震响应变化幅度越小，这与文献［12］的研究结论相似。

4 二级设防水准墩身结构应力特征

各墩墩柱截面见图5，1#～3#墩柱采用椭圆柱截面，钢筋采用φ32螺纹钢，4#～7#截面柱采用中空矩形截面，钢筋直径32 mm。

图5 墩柱截面(单位:cm)

针对同样截面的墩柱，计算满槽状态最不利荷载组合下的效应，因此仅需要对1#墩和4#墩截面进行地震作用下的强度验算。

结构在E1地震作用下，可以利用材料的弹性强度来抵抗荷载作用，但是存在潜在的非弹性铰，部分区域也可能发生局部的塑性变形。图6显示在E1地震荷载作用下墩身截面塑性铰区的受拉状态。

由图6可以看出，在E1地震效应下，墩身各潜在非弹性铰截面均未出现明显的塑性变形，截面保持在弹性状态，满足文献［3］抗震细则的要求。

结构在E2地震作用下会产生较大的塑性变形，保证结构最终不坍塌是第2水平设防的基本要求。图7显示的是在E2地震荷载作用下墩身截面塑性铰区的受拉状态。可以看出，在E2地震作用下，墩身潜在非弹性铰产生大面积的塑性变形，但是由于还保留有弹性部分，可保证有“大震不倒”的第二设防目标。

图6 E1地震荷载作用下典型截面塑性铰区受拉状态

图7 E2地震荷载作用下典型截面塑性铰区受拉状态

5 结论

本文研究了大型高墩通航渡槽墩身结构在地震作用下的动力响应分析方法，并通过有限元模型分析了乌江构皮滩水电站大型渡槽的抗裂性能。结果表明:

1)空槽状态地震作用大小(E1和E2)主要影响墩身结构的剪力和弯矩，且影响大小与地震波的地震动加速度成正比，对轴向力影响很小。

2)蓄水状态(满槽)地震作用主要影响墩身结构的轴向力，渡槽中的水对结构响应影响很大，可以增大约50%，同时墩高对于地震响应也有影响。

3)在E1地震作用下，渡槽墩身产生局部塑性变形，在E2地震作用下产生大面积的塑性变形，但是仍有部分处在弹性状态，说明乌江构皮滩大型渡槽满足二级设防的抗震要求。

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Earthquake response analysis of high piers of huge navigable flume with gradeⅡfortification

GAO Xingzan1，HE Xiongjun1，QIN Qingbo2，YIN Dongjia1，CHEN Yukun1
(1.School of Transportation，Wuhan University of Technology，Wuhan Hubei 430063，China; 2.Changjiang Institute of Survey，Planning，Design and Research，Wuhan Hubei 430030，China)

In order to analyze the earthquake response of huge navigable flume with high piers，earthquake response pattern is analyzed in this paper based on the fiber element mode of huge navigable flume of Goupitan Hydropower Station in W ujiang.T he analysis results show that seismic excitation E1 and E2，both of which is proportional to the ground motion acceleration，have the main effect on shear stress and bending moment in the pier structure when no water is in the aqueduct.However，when the flume is filled with water，the earthquake response significantly affects the axial stress rather than shear or moment.T he axial stress is 1.08～1.45 times that of no water.It also shows that，under the dynamic effect of water in flume the higher the pier is，the smaller axial stress change ratio is.W ith E1 effect，elastic state rather than plastic state is observed at potential non-elastic hinge joints in pier.W ith E2 effect，plastic deformation occurs in potential non-elastic cross-sections extensively.T he distribution characteristics of huge navigable flume with high piers with Grade II seismic design is helpful for both overall and local seismic design.

Huge navigable flume with high piers;Pier structure;Fiber element model;Earthquake response analysis

U442.5+5

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.10

1003-1995(2015)05-0038-05

(责任审编李付军)

2014-12-11;

2015-02-03

国家自然科学基金项目(51178361)

高兴赞(1988—)，男，河北唐山人，硕士研究生。