高壩發電引水進口塔結構安全性分析

強震區高塔的結構性能和安全性關系到電氣站的正常運行，可能會影響主要水庫和樞紐的安全。它是一個重要的建筑，確保了電氣站的效率。考慮到川南縣的高地震，準備了高壩水庫水電工程項目，并對這些項目的結構進行了優化和重新設計。考慮到這些項目中進水塔結構的特點，通過優化塔的形狀來降低塔的剛性，不僅可以節約工程成本，而且有助于提高結構的抗疲勞動設計。考慮到靜力分析中結構規模的增加和剛性增加對結構的位移和應力有利，但在動態分析中，體和剛度過大，必然會集中在較大的壓力下，這不利于結構的抗疲勞動設計。因此，動態設計與靜態設計在管理上是不同的。在強地震激勵下，高進入水塔的力學行為和結構性能，選擇合理有效的數值分析法，建立結構安全評估標準，是這些水工建筑物設計中最重要的技術。本文在前人水庫工程的指導下，重點研究了強震區和金水塔等100米長的快速地震勘探技術。采用通用金元軟件abaqus，通過對塔體結構、塔背混凝土高度等重要部分的優化，獲得最合適的抗疲勞動設計和投資成本效益。1計算條件1.1進水塔結構組成長河壩水電站位于大渡河上游河段,電站總裝機容量2400MW,正常蓄水位1690m,壩壅水高220m,進水塔高73m,正常蓄水位以下庫容約9.85億m3.進水塔結構為典型的岸塔式進水塔結構,結構主要包括塔身和攔污柵框架,框架由攔污柵柱、聯系攔污柵柱的水平橫撐和聯系攔污柵柱與塔身的水平縱撐組成.根據一般工程經驗及本工程實際地質條件,巖石基礎選取的高寬為進水塔結構本身高寬再向上下游面和底面各延長1.0倍左右.巖石基礎底面視為固定邊界,即巖石基礎底面約束全部位移;基礎上下游面約束順水流向水平位移,兩側面約束橫水流向水平位移.1.2結構有限元模型結構主要采用8節點六面體等參單元離散,計算單元總數為333718,求解自由度數為1088481.網格劃分時考慮了結構的幾何形狀、受力特征和材料分區.進水塔結構及其巖石基礎都近似假定為各向同性、均勻連續的線彈性體.庫水壓力、揚壓力、動水附加質量均只作用在相關面上.其有限元模型見圖1.1.3設計結構位移對比靜力計算考慮靜水壓力和揚壓力的作用,動力計算考慮結構在順水流向、橫水流向和豎向3個方向地震作用,結構的應力位移為靜力和動力計算疊加結果.反應譜采用水工建筑物抗震設計規范譜,順水流向和橫水流向加速度峰值為222g,豎向加速度峰值按照規范折減為148g,計算水位為正常蓄水位.2凝土體型的優化塔背混凝土優化對結構的自振頻率和應力位移均有影響,合理的塔背混凝土體型不僅可以減少混凝土用量,降低工程成本,而且對提高結構的抗震性能和安全穩定性也很有幫助.本研究希望通過對不同塔背混凝土體型在三向地震作用下的應力應變分析,得到有利于抗震設計的優化體型.2.1集料用塔背回填通過不斷減少塔背混凝土順水流向和橫水流向長度來尋求合理的體型.本部分比較研究共包含3個模型,順水流向和橫水流向減少長度分別如表1所示,豎直向塔背回填高度不變,均為36m.2.2塔背混凝土體型對變形的影響位移計算結果(見表2)為3個方向地震作用與靜力作用的合位移,進水塔結構的位移總趨勢基本以流道中心線呈對稱分布.順水流向位移(見圖2)由于順水流向地震激勵的作用,塔頂向下游偏移,在模型3中,達到最大值12.92mm.其他模型中,位移值均超過12.50mm,各模型位移差別非常小.塔頂橫水流向位移與順水流向位移大小相當,在模型3中,達到最大值13.31mm,其他模型中,位移值均超過13mm.各模型塔頂豎向位移均在2.50mm左右.3個模型塔頂各向位移相差最大值為0.34mm,可見塔背混凝土體型改變對塔頂位移的影響很小,可忽略不計.2.3拉應力影響分析應力計算結果為3個方向地震作用與靜力作用的合應力,由于考慮了3個方向地震的共同作用,且動水附加質量按照群塔塔體外形尺寸施加,塔體外形系數值均大于4.0(為單塔外形系數的3倍左右),所以塔背應力峰值很高,且拉應力影響范圍較大(見圖3、表3).塔背混凝土順水流向拉應力最大,在模型1出現最大值10.64MPa.峰值出現在塔背回填混凝土與塔體接觸的部位,該處為幾何突變位置,屬于應力集中區域,3個模型下拉應力影響范圍基本相同.應力峰值在3個模型中依次遞減,順水流向拉應力模型3較模型1減少16%.橫水流向拉應力模型3較模型1應力峰值減少21%.對于豎直向拉應力,其分布規律與順水流向和橫水流向拉應力相反,從模型1到模型3應力峰值略有增加,模型3較模型1應力峰值增加5%.底板混凝土各向應力分布規律基本一致,從模型1到模型3依次遞減.3塔背回混混凝土的高度3.1塔背回填混凝土高度由塔體結構體型比較結果可知,應力峰值位于塔背與回填混凝土接觸的位置,且衰減速度較快.因此塔背回填混凝土的高度對進水塔結構的影響值得探討.本部分基于塔體結構體型優化中最優模型3,通過不斷降低回填混凝土高度得到新的3種模型,分別對應模型3、模型4和模型5,3種模型塔背回填混凝土高度分別為36.0、26.0和16.8m.3.2塔背混凝土回填高度應力計算結果為3個方向地震作用與靜力作用的合應力.各向應力變化規律明顯,均為先減后增,各向應力峰值最大值均出現在模型3,峰值最小值均出現在模型4.詳見表4、圖4所示.塔背混凝土順水流向拉應力在模型3出現最大值8.90MPa,峰值出現在塔背回填混凝土與塔體接觸的部位.隨著塔背回填混凝土高度的降低,其應力峰值顯著減小,在模型4應力峰值為6.58MPa,幅值減小26%.豎向應力峰值模型4較模型3減小45%,橫水流向應力峰值模型4較模型3減小13%.底板混凝土應力變化規律與塔背一致,順水流向應力峰值模型4較模型3減小19%,豎向應力峰值模型4較模型3減小31%,橫水流向應力峰值模型4較模型3減小11%.隨著塔背回填混凝土高度的降低,塔背處的邊界約束減弱,塔體剛度相應減小,在地震作用下應力集中現象會顯著改善,但當回填高度繼續降低時,應力峰值又開始增加,且應力的影響范圍會波及進水塔流道,這顯然對抗震設計不利.故塔背混凝土回填高度的變化對進水塔結構的抗震設計非常關鍵,回填高度太高不僅增加工程成本而且會增加塔體的約束,導致應力集中,回填高度太低應力峰值也會增加且對進水塔流道不利.4塔體結構體型的優化本文采用反應譜計算方法,研究減少塔背混凝土方量和降低塔背混凝土回填高度對進水塔結構在強震激勵下結構性能的影響.由數值仿真計算結果可以得到如下結論:1)各種模型下,進水口結構的位移總趨勢基本以流道中心線呈對稱分布,且塔頂位移隨模型的變化很小,可忽略不計.2)塔體結構體型的優化使模型3塔背順水流向和橫水流向正應力較模型1減少超過15%,且混凝土方量較模型1減少5000m3,豎向應力模型3較模型1略有增加.綜合可見模型3較模型1、2是更優體型.3)塔背回填混凝土高度對進水塔塔背應力影響明顯,模型4較模型3順水流向正應力減少26%,豎向正應力減少45%,橫水流向正應力減