| 标题 | 河床式水电站厂房结构的地震响应分析方法 |
| 范文 | 于倩倩等 摘要：以某河床式水电站工程为例，在分析厂房整体结构特点的基础上，建立了三维有限元模型，并应用《水工建筑物抗震设计规范》（DL 5037-2000）和《欧洲结构抗震设计规范》中三种不同的反应谱，进行了河床式水电站厂房结构的地震响应分析。将设计反应谱转换成20 s的人造地震波，通过时程分析，对反应谱分析得到的结构应力和位移状况进行验证对比，讨论在规范规定的不同反应谱分析方法下河床式水电站厂房结构地震响应的异同。期待研究成果可以为我国抗震规范的修订提供部分借鉴。 关键词：河床式水电站厂房；地震响应；动力特性；反应谱法；时程分析 中图分类号：TV31 文献标志码：A 文章编号： 16721683（2014）05002205 Research on seismic response analysis method of the runofriver hydropower station YU Qianqian1，2，WANG Haijun2，LIAN Jijian2 （1.China Renewable Energy Engineering Institute，Beijing 100120，China；2.State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China） Abstract：Based on the analysis of structural characteristics of a runofriver hydropower station，the finite element analysis software Ansys was used to build a threedimensional structural model to analyze the seismic response of the runofriver hydropower station.Three different response spectrums from both the European code，Eurocode 8，and the Chinese Code，Specifications for Seismic Design of Hydraulic Structures （DL 5037-2000） were applied.The dynamic behaviors of the structure under earthquake loads were investigated using the time history analysis during the 20seconds artificial seismic wave which was extracted from the elastic response spectrum.After analyzing and comparing the stresses and displacements of the powerhouse structure which were achieved from different calculation theories under the seismic loading condition，the main characteristics of the runofriver hydropower stations during earthquake activities were illustrated and some suitable suggestions for seismic analysis were provided. Key words：runofriver hydropower station；seismic response；dynamic characteristic；spectrum analysis；timehistory analysis 我国水能资源丰富，但地区分布很不均衡，其中67.8%位于西南地区。作为水利工程建设主要区域，西南地区处在欧亚地震带，受三大板块挤压，断裂带十分发育，地震灾害严重。近年来，在汶川、玉树等破坏性大地震中，作为能源供应中心的水电站厂房结构遭受严重破坏，无法提供必要的电力保证，严重影响了救灾工作的顺利进行，甚至威胁到周边人民的生命与财产安全[12]。作为一种常见的厂房结构型式，河床式水电站厂房在大流量、低水头的河段能有效提高水资源的利用率，增大发电量。但是这种类型的水电站厂房本身既是发电建筑物又是挡水建筑物，流道的空间所占的比重大，呈现厚薄不匀的空间曲面形态，结构物的质量与刚度变化存在突变。此外，厂房的上下游面均与水体直接接触，形成临空面，使得厂房结构在地震动力载荷作用下的响应问题变得更加复杂[35]。本文以某河床式水电站厂房结构为例，通过三维有限元方法，应用水工建筑物抗震设计规范（DL 5037-2000）和欧洲结构抗震设计规范（Eurocode 8）中三种不同类型的反应谱对结构的地震响应进行分析，并应用时程法进行结果对比验证和评价。 1 河床式水电站厂房结构的自振特性研究 本文选取某水电站厂房一号机组坝段进行三维有限元建模，地基计算范围取厂房结构向上、下游各延伸60 m，底部延度不小于60 m。坐标原点选在机组中心线处，规定Y轴与机组中心线重合，向上为正；X轴为水平方向，顺水流方向为正；Z轴为水平垂直水流方向；三轴符合右手螺旋定则。对于边界约束条件，取地基的下表面全约束，四周表面法向约束，机组段之间因考虑分缝定为自由面。厂房结构三维模型有限元模型见图1、图2。 图1 厂房结构三维模型 Fig.1 3D model of the hydropower station 图2 厂房结构有限元模型 Fig.2 Finite element model of the hydropower station 通过有限元计算，该水电站厂房结构模型的前30阶频率[78]及部分振型见表1。从表1中可以看出，结构的自振频率值比较密集，相邻阶之间的频率值相差较小，而从第一阶到第三十阶结构的频率变化范围为1.42～11.83 Hz。由振型分析可知结构第一阶振型为上部排架结构的顺河向振动；第七阶出现厂房结构整体横河向振动，主要是进水口的振动；第十阶出现厂房整体顺河向振动；第十二阶出现厂房结构整体扭振；第二十八阶出现尾水平台的横河向振动。可以看出，河床式水电站厂房具有二元并联体系特征，即具有两组自振特性：一组是主要反应厂房排架结构自振特性，一组主要反应大块混凝土结构的自振特性。计算结果符合一般河床式水电站厂房自振特性规律[3]。 与我国反应谱曲线不同，由于考虑了地震烈度对地基特性和拐点频率有直接影响，《欧洲结构抗震设计规范》（Eurocode 8）中的加速度响应谱由四段曲线组成。针对地震面波震级Ms对结构物地震响应影响的差异，该规范共有两种推荐反应谱， 反应谱理论中结构被假定为弹性状态，但通过对单自由度体系的研究发现，结构的延性可以通过折减结构线弹性响应谱中的地震力来实现。对于自振周期较长的结构采用与线弹性响应有相等的位移来实现，而自振周期短的结构则可采用与线弹性响应释放相同的能量来实现。根据以上原则，利用系数可将结构线弹性反应谱折减为考虑延性等弹塑性因素的设计反应谱。但是由于我国的具体国情，对河床式水电站厂房结构的地震响应情况研究较为缺乏，在谱分析过程中并没有考虑结构本身的塑性特点，现行的《水工建筑物抗震设计规范》以及设计手册中也没有相关内容。综上，考虑到水电站厂房结构的经济合理性和钢筋混凝土材料在地震荷载下的延性以及地震能量扩散特点，本文借鉴《欧洲结构抗震设计规范》（Eurocode 8）中的规定，对河床式水电站厂房结构进行通过折减系数修正后的设计反应谱分析[912]。 根据规范，结构对地震中能量的散逸能力后，结构整体刚度减小，对地震力响应力小于线弹性分析过程中的响应力，而相应的位移会大幅度增加，所以通过性能系数（即折减系数）q对弹性分析进行折减。结构的性能系数q是结构在5%的黏滞阻尼下对地震荷载的线弹性响应与设计地震力的比值，与结构材料、系统特点以及设计过程等方面有关，并且受到结构的动力稳定和结构尤其是结构连接处循环荷载作用下的疲劳损伤的限制。结合规范，由于混凝土结构能量散溢能力和塑性较差，属于低塑性类，q不大于1.5，且上部结构刚度和质量都远小于下部大体积混凝土结构，横河向结构刚度远小于顺河向，所以不满足规范中的结构刚度质量分布均匀、对称的规定，采用折减0.8后的性能系数q=1.2[1315]，则设计反应谱见图5。 2.1.4 反应谱分析计算结果 应用三种不同类型的反应谱对河床式水电站厂房结构进行分析，通过静动叠加后，动应力所占的比例减小至原应力值的0.35倍，结构中的应力和位移主要是静荷载作用的结果。对河床式水电站厂房结构而言，自振特性主要受低阶模态影响，即刚度较小的排架结构处振型变化较为明显，使得在地震过程中动应力影响以及绝大多数的结构破坏都产生在上部结构中。结构体系的应力、位移分布规律在三种反应谱分析下类似，其中位移最大值在上游排架柱顶端，应力最大值为排架结构刚度变化处，最大值出现的原因是地震波与结构的自振频率产生共振。三种反应谱的计算结果最大值见表2。 从应力角度分析，三种反应谱计算的应力最大值出现在上游排架柱中非常小的区域内（应力集中区），原因是此处排架柱的横截面积发生变化，造成刚度突变；另外由于没有考虑上部屋架结构，使厂房结构的刚度减小，排架结构受弯后出现了较为明显的二次效应，弯矩值随变形量增加而进一步加大，刚度变化处应力集中更加明显。将应力计算结果在Ansys中进行均化处理后，发现应用三种谱分析，结构的材料未充分利用，即大多数的混凝土结构仍为线弹性状态。对于承担挡水并能起到雍高水位作用的河床式水电站厂房结构，下部混凝土结构处在线弹性阶段能够有效防止开裂，保 表2 不同类型反应谱计算结果 注：1.表中对于欧洲标准设计反应谱法的位移计算结果是按照规范规定进行修正后的结果；2.该表中应力结果为利用Ansys中应力均化后的计算结果。 证结构整体的安全，但是对于河床式水电站厂房上部结构，根据线弹性反应谱所设计的结构依据地震工况下的计算结果显得较为笨重。但是地震工况可能不为该结构计算的控制工况，结果需结合排架柱的纵向钢筋配置研究。 从位移结果分析，结构的最大位移矢量与顺河向位移均出现于上游排架柱顶端，但由于在计算过程中没有考虑屋架结构，使整体刚度降低，位移值较大。三种反应谱法得到的位移值接近，这是由于结构的非线性即塑性、延性在7度的地震荷载中没有完全体现，混凝土结构的绝大部分依然处在线弹性变化范围。所以对高地震烈度地区应用系数折减理论，需要考虑材料的非线性条件，如根据混凝土、钢筋混凝土在受到动力荷载时的动态响应和损伤演化进行分析。 应用系数折减后的设计反应谱计算的位移结果更符合结构的在地震工况下的实际响应特性，能更加快捷的对结构的减振抗震、控制变形保证厂房结构在设计地震下正常运行做出判断，但该设计反应谱对结构延塑性和能量散溢能力的计算结果可靠性、精确性则需要通过时程分析结果进行对比分析。 总体来说，通过三种反应谱的计算分析，该河床式厂房在地震荷载的作用下依然能满足应力和位移的基本要求，并保证结构在设计地震荷载下处于安全状态，即该河床式水电站厂房结构的设计合理。 2.2 河床式厂房结构地震的时程分析 为对比河床式水电站厂房结构在地震工况下的反应谱分析结果，本文采用时程分析法，对结构进行地震工况分析。研究区缺乏地震实测记录，因此本文通过厂房设计反应谱曲线拟合得到了人工地震波即采用加速度时程曲线。按照结构处基本地基参数条件，水平顺河向的人工拟合地震波见图6，假设该次地震共持续20 s。 从图7可以看出，地震波与标准反应谱基本一致，所以可以用于对结构进行抗震分析。计算得到结构瑞利阻尼系数应力值最大值为1.83 MPa，出现在排架柱与横向联结系的连接部位，另外在排架结构的顶端、副厂房和主厂房楼板也出现了部分接近于0.50 MPa的应力区域。 根据计算结果可以发现，时程分析法计算的响应位移值与设计反应谱法计算的响应位移峰值在数值上很接近，相对误差很小；时程方法计算得到的位移值大于按照反应谱法计算得到的值，说明在持续性的地震动力作用下，结构的刚度会减小，位移值增大，所以对于水电站厂房结构的位移控制需要引起关注。而时程分析法计算所得的应力值较小，进一步说明了如果按照反应谱理论进行结构的地震响应动力计算，采用的是对于结构任意周期的最大加速度，对结构的实际应力是放大的。 2.3 河床式厂房结构地震响应分析方法讨论 对比水工建筑物抗震设计规范（DL 5037-2000）和欧洲结构抗震设计规范（Eurocode 8）中结构地震响应的反应谱分析方法，可以发现以下情况。 首先，《欧洲结构抗震设计规范》在工程中的应用较复杂，需要根据区域地震烈度和场地地基特点确定三个特征周期，保证结构在地震过程中谱反应的曲线段变化（即加速度、速度和位移恒定状态）；此外，将结构的阻尼作为变量（非恒定的5%的阻尼）进行考虑，增加了计算量。而《水工建筑物抗震规范》只需要与场地地基类别和水工建筑物本身的类型有关的特征周期和最大值的代表值两个参数，使用简便，易于对结构的抗震情况做出快速的判断，但是该反应谱没有考虑到不同地震烈度对谱曲线的影响，所以对计算的精度有一定影响，尤其不能满足高地震烈度带的精细化分析需要。 其次，结构的有限元计算结果表明，三种反应谱计算得到的应力水平相当，其中，欧洲结构抗震设计规范中线弹性反应谱法过于保守，水工建筑物抗震规范得到的应力结果与欧洲结构抗震设计规范中的设计反应谱结果相当。由于地震力折减，应用欧洲结构抗震设计规范设计反应谱分析得到的位移更加真实，为更加快捷地对结构的裂缝和变形的提前控制提供了保证，适用于工程实际。此外，该方法中折减系数考虑结构的空间几何形式，有利于推广规范在不同形式结构体系中的使用。国内水电站厂房设计规范中尚未提到通过系数折减修正反应谱法的概念，所以建议将此方法引入规范中，有助于对结构的非线性和能量散溢能力以及地震工况下的变形进行初步评估，使结构设计更为合理。但是，欧洲结构抗震设计规范主要针对的是工业与民用建筑，在水工建筑结构中应用时需要进行更细致的分析。 综合以上所选用的地震响应分析方法可以看出，反应谱分析可同时考虑结构各频段振动的振幅最大值和频谱两个主要要素，计算方便，计算量小，可有效计算结构响应的最大值。而系数修正后的设计反应谱方法继承了线弹性反应谱法的优点，较好地弥补了结构在线弹性反应谱方法中未考虑的塑性状态以及结构中内力重新分布现象。 但是，反应谱实质依然是线性分析，计算精度取决于参与合并振型的数目，且其忽略了基础与土层之间的相互作用、地震作用的随机性、以及时间持续性。而大量的震害调查表明，有些按反应谱理论设计的结构，在未超过设防烈度的地震中，也遭受到了严重的破坏，充分说明了持续时间要素在设计中应该被考虑。时程分析方法能够记录结构响应的整个过程，即模拟结构在整个地震持续时间内各时刻的地震响应，能成功的处理非线性相关问题，但计算量大，地震响应计算值较大依赖于地震波时程曲线的选取，且这种方法只反映结构在一条特定地震波作用下的性能，往往不具有普遍性。所以，可将反应谱理论作为第一阶段抗震初步设计，然后利用动态时程分析理论作为第二阶段精细抗震设计，结合两者的优势来更为有效的为高震害地区的重要性较高的河床式厂房地震响应进行研究。 3 结论 本文以某河床式水电站厂房结构为例，结合三维有限元分析软件Ansys对厂房结构的自振特性和地震作用下的动力响应进行分析，认为河床式水电站厂房具有二元并联体系特征，且在三种不同反应谱计算中，该水电站厂房在地震荷载的作用下均能较好的保证结构安全，即该河床式水电站厂房结构的设计在地震状态下是合理的。通过时程分析发现，通过系数修正后的欧洲结构抗震设计规范设计反应谱法计算得到的位移和应力值与时程分析法计算的响应峰值在数值上很接近，相对误差很小，二者仿真结果具有一致性，即在本工程中，欧洲结构抗震设计规范设计反应谱法能较好地考虑到结构的延性和能量散溢能力，可有效节省计算资源。因此建议将此方法引入规范中，便于对结构地震响应进行有效分析。 参考文献（References）： [1] 王海军，练继建，王日宣.水电站厂房结构地震响应非线性分析[J].水电能源科学，2008（3）：8891.（WANG Haijun，LIAN Jijian，WANG Rixuan.Nonlinear analysis of the powerhouse in seismic activities，Water Resources 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