高扬程升船机不同壁厚塔柱结构的抗震性能分析*

邓运倜,陶桂兰,张毅濠,吴俊东

(1.中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 200032；2.河海大学 港口海岸与近海工程学院，江苏 南京 210098；3.长江勘测规划设计研究院，湖北 武汉 430010)

水运具有“占地少、成本低、能耗小、污染轻、运能大、效益高”等优势，能为我国西部大开发、中部崛起和东部率先发展以及长江经济带建设做出巨大贡献。目前世界上建成的200米级以上特高坝已达77座，我国有20座。随着我国高坝水利枢纽的建设和内河水运的快速发展，升船机的建设倍受人们的关注。与其它类型荷载相比，地震荷载发生频率低、强度大、随机性强，在大型垂直升船机塔柱结构的动力计算中往往起重要作用。高扬程垂直升船机塔柱结构在地震荷载作用下会产生动力响应，最终可能因结构强度不足及塔柱顶部变形过大而破坏，或联系梁损坏等[1]。因此，为了保证河流的正常通航并提高河流的通航能力，迫切需要对高坝水利枢纽上建设高水头通航建筑物开展相关技术研究。

杨勇等[2]、陈厚群等[3]、蒋凯[4]分别对景洪升船机塔楼结构、三峡升船机塔柱结构、向家坝升船机塔柱结构进行了相关研究，得出了一些很有价值的结论，但是目前对高扬程升船机不同壁厚塔柱结构的抗震性能研究较少。本文在设计单位提出的200米级高扬程塔柱结构形式基础上提出变壁厚塔柱结构形式，利用ABAQUS建立塔柱结构有限元模型，采用动力时程法对结构开展相关动力响应对比分析，对其进行了抗震性能评价。

1 高扬程升船机塔柱结构形式及有限元模型

1.1 工程概况

拟建的水电站工程为白鹤滩水电站，位于四川省金沙江峡谷。白鹤滩水电站是金沙江下游干流河段梯级开发的第2个梯级电站，具有以发电为主，兼有防洪、拦沙、改善下游航运条件和发展库区通航等综合效益[5]。配套的升船机为200米级全平衡钢丝绳卷扬垂直升船机，设计船型为3 000吨级货船。船厢室结构由基础、承重塔柱和上部机房3部分组成，结构总长141.7 m、总宽55.6 m、总建筑高度240.3 m。承重塔柱对称布置在船厢室的两侧；塔柱底部与筏形基础联为整体；顶部通过梁板结构连接，构成上部主机房的基础。整个船厢室结构形成巨型框架结构体系。

承船厢水域总尺寸为115 m×18.4 m×4.7 m，初步计算出船厢内水体质量为10 300 t，通过类比分析初估船厢结构质量7 200 t，承船厢带水总质量为17 500 t，平衡重悬吊系统总质量为17 500 t。

根据承船厢、平衡重、主提升设备布置要求及运行条件，承重塔柱结构采用钢筋混凝土全筒式结构。筒体在平面上左右两列对称布置，每列为一个整体筒体，筒体长141.7 m、宽15 m，2个筒体顶部由11根主横梁连接。

200米级高扬程升船机所处峡谷地形不对称、岩性十分复杂、岩质的特征为“硬、脆、碎”，且为高地震烈度等环境，该地址基本烈度为8度。

1.2 塔柱结构形式

本文基于设计单位提出的200米级高扬程升船机固定壁厚塔柱结构形式，以混凝土用量一致为原则，拟定变壁厚塔柱结构形式。采用有限元软件ABAQUS，分别建立了固定壁厚和变壁厚两种塔柱结构有限元模型。

1.2.1固定壁厚塔柱结构

升船机塔柱模型包括了地基、筏形基础、挡土墙、塔柱、顶板。塔柱结构形式从塔柱顶部至底部采用固定壁厚形式，塔柱宽度为15 m，塔柱总高度为240.3 m，底部至顶部的塔柱壁厚均为1.2 m，底部以下为8.5 m厚筏形基础，挡土墙高度为44.6 m，横向联系梁设置于塔柱顶部，长25.6 m、高2 m、宽1.2 m。

1.2.2变壁厚塔柱结构

变壁厚塔柱结构模型是在固定壁厚塔柱结构模型的基础上，以混凝土用量一致为原则提出的比较方案。根据文献[6]，塔柱壁厚由底部沿着顶部逐步减薄，塔柱宽度和高度与固定壁厚塔柱结构一致；571.6～618.0 m高度范围壁厚为1.7 m，高度618.0～717.4 m壁厚为1.3 m，高度717.4 m以上壁厚为1.0 m；底部以下为8.5 m厚的筏形基础，塔柱横向联系梁的长、高和固定壁厚塔柱结构一致。塔柱结构立面和平面见图1、2。

图1 塔柱结构立面(单位：m)

图2 塔柱结构1-1截面(单位：m)

1.3 塔柱结构有限元模型

固定壁厚、变壁厚塔柱结构的船厢室和地基均采用8节点六面体实体单元，地基模拟范围以船厢室轮廓为界，向上下游方向、左右两侧和深度方向各延伸1倍塔柱高度，即240.3 m。两种模型的塔柱结构、地基的网格密度分别为1.2、55.6 m，固定壁厚塔柱结构共划分单元243 429个，变壁厚塔柱结构共划分单元188 632个，塔柱结构有限元模型见图3。

图3 塔柱结构有限元模型

固定壁厚、变壁厚塔柱结构的地基边界条件为：底面全部约束，各侧面均采用法向约束。边界条件施加过程中，对地基底面施加全约束，对地基各侧面施加法向约束。如图3所示，模型采用的坐标系统为：顺河向为X轴(纵向)，横河向为Y轴(横向)，垂直向上为Z轴，坐标原点为右塔柱结构上游角点。

2 塔柱结构的抗震性能分析

2.1 计算工况与计算参数分析

2.1.1计算工况

根据GB 51177—2016《升船机设计规范》[7]规定：升船机抗震设计参考SL 203《水工建筑物抗震设计规范》[8]，依据白鹤滩水电站坝址设计地震动参数复核报告评审意见，地震动的峰值加速度取0.282g。

本文研究的200米级高扬程升船机塔柱结构的计算荷载包括塔柱结构自重、设备荷载、风荷载和地震荷载。设备荷载以附加质量的方式施加在塔柱结构上；风荷载计算参考GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》[9]和GB 50135—2006《高耸结构设计规范》[10]，计算得基本风压W0=0.45 kN/m2,以三角形分布压强的形式作用于塔柱结构横河向。计算工况考虑最不利情况，即考虑水平地震荷载、自重荷载、风荷载、竖向地震荷载共同作用，参考NB 35047—2015《水电工程水工建筑物抗震设计规范》[11]有关规定，竖向地震动峰值加速度的代表值取水平向地震动峰值加速度的2/3，考虑到塔柱结构横向刚度明显小于纵向刚度，水平地震荷载按横向水平地震输入考虑，输入方式采用无质量地基模型的塔柱结构底部输入[12]。

2.1.2计算参数

升船机基础地址处于玄武岩区，对基岩分层考虑，各层平均静态模量取11 GPa[13]，泊松比为0.23，承船厢室和地基均采用线弹性模型，动弹性模量较其静弹性模量提高30%，结构阻尼比5%。塔柱结构计算参数见表1。

表1 塔柱结构计算参数

本文利用GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》[14]反应谱程序Simqke_gr程序生成3条人工地震波(相关系数不大于0.3)。3条人工地震波的持续时间取20 s，计算的时间间隔为0.02 s，3条人工地震波加速度时程曲线见图4。

图4 人工地震波加速度时程曲线

2.2 固定壁厚塔柱结构抗震性能分析

在塔柱的顶部、底部设置了2个参考点A、B(图1)，将它们作为塔柱结构位移、加速度响应的研究对象。应力响应取左塔柱结构的2个截面，分别为图2中的2-2、3-3截面。应力研究采用第一强度理论和第四强度理论。

2.2.1位移响应

由图5可知，不同地震波作用下，固定壁厚塔柱结构在水平和竖向地震共同作用下顶部参考点A的横向最大位移分别是-32.7、38.5、-36.3 cm，根据JGJ 3—2010《高层建筑混凝土结构技术规程》[15]，该结构水平位移限值为46.3 cm，最大位移满足规范限值。

图5 固定壁厚塔柱结构顶部的位移时程曲线

2.2.2加速度响应

3条地震波中，地震波2作用下的塔柱加速度响应最大，加速度时程曲线见图6。

图6 固定壁厚塔柱结构加速度时程曲线

3条地震波作用下，塔柱结构顶部参考点A的横向最大加速度分别为5.701、-6.650、6.295 m/s2,底部参考点B的横向最大加速度分别为-2.712、2.805、2.387 m/s2。顶部参考点A的横向最大加速度分别为底部参考点B的2.10、2.37、2.64倍。

2.2.3应力响应

3条地震波中，地震波2作用下的塔柱结构筏形基础主应力最大，由于塔柱结构自重，筏形基础与塔柱结构交界面出现了压应力集中的现象，在3条地震波作用下，最大动压应力分别为1.935、2.191、2.024 MPa。由于横河向及竖向地震、塔柱筒体自重和正向风荷载作用，筏形基础左右、中间部分及筒体内部区域出现了拉应力集中，在3条地震波作用下，最大动拉应力分别为4.732、5.224、4.985 MPa。筏形基础产生的最大动拉应力分别是最大动压应力的2.45、2.46、2.38倍，已经超过C30混凝土抗拉强度，需要提高混凝土强度和加强配筋，需特别注意的是筏形基础的左右、中间部分及筒体内部的配筋。

3条地震波中，地震波2作用下的塔柱结构截面等效应力最大，主应力云图见图7。

在3条地震波作用下，固定壁厚塔柱结构2-2、3-3截面的等效应力最大值出现在断面与挡土墙接触区域，分别为52.18、56.61、54.29 MPa和44.27、49.55、48.76 MPa。这是由于此处为挡土墙与上部塔柱结构交界面，该区域易出现应力集中现象，须适当增大该交界面塔柱截面宽度，并根据结构受力配置受拉钢筋等。

2.3 变壁厚塔柱结构抗震性能分析

2.3.1位移响应

不同地震波作用下变壁厚塔柱结构顶部的位移时程曲线见图8。

在横向和竖向地震共同作用下，变壁厚塔柱顶部参考点A的横向最大位移分别为-28.4、34.7、32.6 cm，最大位移均满足规范限值。

图8 变壁厚塔柱结构顶部的时程位移曲线

2.3.2加速度响应

3条地震波中，地震波2作用下的塔柱加速度响应最大，加速度时程曲线见图9。

图9 变壁厚塔柱结构加速度时程曲线

3条地震波作用下，塔柱结构顶部参考点A的横向最大加速度分别为5.684、-6.790、6.382 m/s2,底部参考点B的横向最大加速度分别为-2.763、2.804、2.524 m/s2,塔柱顶部参考点A的横向最大加速度分别为底部参考点B的2.06、2.42、2.53倍。

2.3.3应力响应

3条地震波中，地震波2作用下的塔柱结构筏形基础主应力最大，由于塔柱结构自重，筏形基础与塔柱结构交界面出现了压应力集中，在3条地震波作用下，最大动压应力分别为1.462、1.774、1.594 MPa，由于横河向及竖向地震、塔柱结构自重和正向风荷载作用，筏形基础左右、中间部分及筒体内部区域出现了拉应力集中，在3条地震波作用下，最大动拉应力分别为3.443、3.918、3.716 MPa，同样也已经超过混凝土抗拉强度，需要提高混凝土强度和加强配筋。

3条地震波中，地震波2作用下的塔柱结构截面等效应力最大，主应力云图见图10。

在3条地震波作用下，变壁厚塔柱结构2-2、3-3截面的等效应力最大值出现在截面与挡土墙接触区域，分别为44.89、49.61、47.86 MPa和40.13、44.03、42.27 MPa，须适当增大塔柱与挡土墙交界面塔柱截面宽度，并根据结构受力配置受拉钢筋等措施。

图10 变壁厚塔柱结构截面最大等效应力

2.4 两种不同塔柱结构形式的抗震性能比较分析

2.4.1位移响应对比分析

变壁厚和固定壁厚塔柱结构顶部最大位移响应对比见表2。

表2 不同塔柱结构顶部最大位移 cm

两种塔柱结构形式的顶部最大位移都满足《高层建筑混凝土结构技术规程的规定》要求。变壁厚塔柱结构顶部所产生的最大位移值都比固定壁厚塔柱结构小，分别减少了13.1%、9.9%、10.2%。因此在位移响应方面，变壁厚塔柱结构形式比固定壁厚塔柱结构形式更优。

2.4.2加速度响应对比分析

变壁厚和固定壁厚塔柱结构顶部最大加速度响应对比见表3。

表3 不同塔柱结构顶部最大加速度 m/s2

对于顶部横向最大加速度，在地震波2和地震波3作用下，变壁厚塔柱结构比固定壁厚要大，分别大2.1%、1.4%；在地震波1作用下，变壁厚塔柱结构比固定壁厚要小0.3%。因此，在加速度响应方面，固定壁厚塔柱结构形式比变壁厚塔柱结构形式略优。

2.4.3应力响应对比分析

变壁厚和固定壁厚塔柱结构筏形基础最大拉、压应力响应和塔柱结构截面等效应力对比见表4。

变壁厚塔柱结构筏形基础最大拉压力比固定壁厚塔柱结构小25%，最大压力小19%。变壁厚塔柱结构各截面的最大等效应力值比固定壁厚塔柱结构要小，其中2-2截面小12.4%，3-3截面小11.1%。因此，在应力响应方面，变壁厚塔柱结构形式比固定厚塔柱结构形式更优。

通过比较两种塔柱结构形式的最大位移、加速度、筏形基础应力响应、截面等效应力，可以得出虽然变壁厚塔柱结构的顶部横向最大加速度略大于固定壁厚塔柱结构，但是变壁厚塔柱结构的顶部最大位移，筏形基础的最大拉、压应力，截面最大等效应力均比固定壁厚要小得多，优势明显，故选用变壁厚塔柱结构形式更合适。

3 结论

1)在自重荷载、风荷载和8度地震作用下，固定壁厚塔柱结构和变壁厚塔柱结构的顶部最大位移分别为32.3、29.5 cm，均满足规范限值。

2)两种塔柱结构在各工况下的顶部加速度比底部加速度大，呈现加速度放大效应，放大2倍左右。

3)筏形基础与塔柱结构交界面出现了压应力集中，筏形基础左右、中间部分及筒体内部区域出现了拉应力集中，固定壁厚形式和变壁厚形式最大动拉应力分别为5.224、3.918 MPa。塔柱截面和挡土墙接触处易发生应力集中，固定壁厚形式和变壁厚形式最大等效应力分别为56.61、49.61 MPa。

4)虽然变壁厚塔柱结构的顶部横向最大加速度略大于固定壁厚塔柱结构，但是变壁厚塔柱结构的顶部最大位移，筏形基础的最大拉、压应力，截面最大等效应力均比固定壁厚要小得多，优势明显，故变壁厚塔柱结构形式更优。