原创《强震区水闸地震反应三维非线性分析》
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摘 要：文章结合地处强震区的大型水闸,运用有限元分析软件,建立闸室整体结构计算模型.采用振型分解反应谱法,计算出闸室结构在校核工况下的静动组合应力和应变,分析闸室结构各部位的应力变化规律及其自振特性,探讨地震作用对闸室整体结构的影响,为水闸的抗震设计提供参考.研究闸室上部的框架结构采用不同构筑材料时,闸室结构的内力和变形分布规律,并对两种方案的计算结果进行比较分析.结果表明,闸室上部框架结构采用轻质钢时,闸室结构受力状态明显改善.
关键词：有限元 反应谱 抗震设计
1.闸室结构动力计算
（1）计算模型
建立水闸整体有限元计算模型,考虑闸墩、底板与地基的相互作用.闸室底板跨中分缝,缝宽0.02m,所以取其中一孔闸室和一定范围的地基（在横河向水平向延伸20m,顺河向水平延伸20m,竖直方向,从底板向下延伸20m）作为一个整体结构,进行有限元网格剖分.闸室和基础均采用8节点等参单元,闸室底板与地基之间设一层接触单元,剖分后的空间有限元网格如图1所示.坐标系的0点设在上游端右侧闸墩底部,X轴沿横河向指向右岸,Y轴沿铅直方向指向上方,Z轴沿顺河流方向指向下.
（2）材料性质
该闸室的闸墩内侧、闸室底板混凝土强度等级采用 C15,闸墩外侧、排架混凝土强度等级采用C30,闸室的地基为钙质页岩.
（3）计算参数
该水闸工程按9度设防,场地类别Ⅱ类,根据《水工建筑物抗震设计规范》（NB 35047-2015）规定,水闸的地震加速度α等于0.4g,反应周期Tg 等于0.3s,水闸的设计反应谱最大代表值βmax等于2.25,阻尼比ξ等于0.05.
（4）计算方案
方案一：闸墩上部的启闭机房采用钢筋混凝土结构.
方案二：闸墩上部的启闭机房采用轻质钢结构.
（5）计算荷载及计算工况
闸室上的主要荷载有：闸室自重和永久设备自重、水重、水平水压力、扬压力、地震荷载等.闸室结构动力分析取校核工况（正常工况+9度地震）进行计算.
2.动力计算结果及分析
对闸室结构在不同方案下进行动力分析,闸室结构的应力及位移计算结果分别见表1和表2.
经过对应力图和位移图进行分析,计算成果表明：（ 1 ）方案一校核工况下闸室结构的最大压应力值为1 . 6 2 6 MP a,最大拉应力值为1 . 5 3 4 M P a ,最大主应力值为2.210MPa（拉应力）,最大位移值为6.306mm；方案二校核工况下闸室结构的最大压应力值为1.635MPa,最大拉应力值为1.368MPa,最大主应力值为1.866 MPa（拉应力）,最大位移值为4.970mm.（2）方案一的闸室结构受力状态相对于方案二而言,闸室结构的受力状态较差.因此在工程抗震设计时,应尽可能地减少闸室上部结构的重量,以减小地震荷载对闸室结构的影响；在校核工况下,由于地震的作用,闸室结构出现了较大的拉应力和动位移,排架柱根部,闸墩底部,拉应力值较大,最大压应力值有所减小.相对于其它工况,闸室结构的受力状态最为不利,在工程设计时应以校核工况为设计控制工况.（3）在校核工况下,方案一中闸室结构的排架柱,闸墩等重要部位的最大拉应力值＞混凝土强度的规范允许值,因此在工程设计时,需对这些重要部位配筋,或采取加大截面尺寸、提高混凝土强度标号等措施,使闸室结构的抗震能力满足要求,确保其在地震作用下安全.
3.闸室整体结构模态分析
对闸室整体进行模态分析,计算出闸室前5阶自振频率、周期及振型参与系数,具体情况见表3.
闸室前4阶振型图（振型图不代表闸室结构的实际位移,只表示振动的形态）如图1~图4所示.
图1~图4可表明：
（1）在第一阶振型图中,闸墩及排架均向外侧弯曲,在第二阶振型图中,闸墩及排架均向右侧弯曲,在第三阶振型图中,闸墩及排架向左侧弯曲,第四阶振型图中,闸墩及排架向左扭转.
（2）在垂直河流的方向,闸室的振动较为明显,闸室出现了弯曲、扭转等变形；在顺河流方向,闸室的振动较小.
4.结束语
综上所述,得出以下结论：
（1）在地震作用下,排架柱的根部出现了较大的拉应力,闸墩底部也出现了拉应力,排架顶部变形最大.闸室上部启闭机房采用轻质钢结构时,闸室结构受力状态明显改善.
（2）闸室顶部重量越大,则地震引起的惯性力（地震力）也越大,工作桥越高,地震反应也越大.因此应尽量降低工作桥高度,减少桥顶部重量.如工程实际允许,应取消其上部排架、机架桥、启闭机房等结构,闸门开启采用液压启闭方式,这样闸墩上部的竖向荷载大幅度降低,闸室结构的抗震性能将明显改善.
（3）闸室结构的模态分析结果表明：水闸的闸墩及上部排架在横河向出现了较为明显的弯曲、扭转等变形,在顺河向方向和竖直方向变形较小.究其原因,在横河向方向,闸墩的刚度最小,在顺河向方向和竖直方向,闸墩的刚度相对较大.
参考文献：
[1]朱伯芳.有限单元法原理与应用[M].北京:中国水利水电出版社,1998．
[2]R.克拉夫,J.彭津.王光远.结构动力学[M].北京:高等教育出版社,2006．
[3]关淑萍.基于ANSYS的水闸动力特性及内力分析方法研究[D].南京:河海大学,2006.
三维论文参考资料：
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