塔背回填混凝土对进水塔地震响应的影响分析.pdf

西 北水 电 2 0 1 5年 第 l期 8 5 文章编 号 ： 1 0 0 6 -2 6 1 0 ( 2 0 1 5 ) O 1 o o 8 5 0 3 塔背 回填 混凝 土对进水塔地震响应 的影响分析 李 锋 ( 中国电建集团西北勘测设计研 究院有限公 司， 西安7 1 0 0 6 5 ) 摘要： 塔背回填混凝土将岸塔式进水塔和山岩连成一体， 提高了进水塔整体刚度， 有效改善了塔体在地震情况下 的拉应力幅值 ， 对进水塔结构的抗震设计非常关键。以某水 电站的岸塔式进水塔为例 ， 针对不同高度塔背回填混 凝土的塔体模型进行三维有限元静动力计算 ， 以分析回填混凝土对进水塔地震响应的影响。 关键词 ： 进水塔； 回填混凝土； 有限元； 静动力分析 ； 地震响应 中图分 类号 ： T V 2 2 3 7 ； T U 3 5 2 1 文献标识码 ： A D O I ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 6 2 6 1 0 2 0 1 5 0 1 0 2 2 An a l y s i s o f I m pa c t s o n Ea r t h qua k e Re s p o ns e o f I nt a ke To we r by Bac k fil l Co nc r e t e o n To we r Ba c k L I Fe ng ( P O WE R C H I N A X i b e i E n g i n e e r i n g C o r p o r a t i o n L i m i t e d ， X i a n 7 1 0 0 6 5 ， C h i n a ) Abs t r a c t： Th e b a c k f i l l c o n c r e t e o n t h e t o we r b a c k i n t e g r a t e s t h e i n t a k e t o we r a n d t h e mo u nt a i n r o c k ma s s，i n c r e a s i n g the o v e r a l l rig i d i t y o f t h e i n t a k e t o w e r a n d e ff e c t i v e l y i mp r o v i n g t h e t e n s i l e s t r e s s r a n g e v a l u e o f t h e t o we r b o d y i n e a r t h q u a k e c o n d i t i o n T h i s i s v e r y i m p o r t a n t f o r t h e a s e i s mi e d e s i g n o f t h e i n t a k e t o w e r s t r u c t u r e W i t h t h e c a s e o f t h e i n t ak e t o w e r o f o n e h y d r o po w e r s t a t i o n ，t h e s t a t i c a n d d y n a mi c c alc u l a t i o n s i n 3 D f i n i t e e l e me n t me t h o d a r e p e r f o r me d t o t h e t o we r mod e l s w i th t h e b a c k fi l l c o n c r e t e o n t h e t o w e r b a c k a t d i ff e r e n t h e i g h t s S O a s t o an a l y z e t h e i mp act s o n t h e e a r t h q u ake r e s po nse o f t h e i n t a k e t o w e r b y the b a c k fi l l c o n c r e t e o n t h e t o w e r b a c k Ke y wor ds： i n t a k e po we r ；b ac kfi ll c o n c r e t e；f i n i t e e l e me n t ；s t a t i c a nd d y n a mi c an a l y s i s；e a r t h qu ak e r e s p o n s e 0 日 U 舌 某电站 进 水 塔 为 岸 塔 式 ， 进 水 塔 底 板 高 程 1 7 3 7 0 0 m， 底板厚 4 m， 塔顶高程 1 7 7 9 0 0 m， 塔高 4 6 m， 塔体沿顺水流向长 1 5 m， 塔宽 1 0 m， 塔 内设有 平板检修 门 1道 ， 塔体背部通过 回填混凝土与 山体 相连。研究发现 ， 回填混凝土能够有效改善塔体在 地震情况下的拉应力幅值， 对进水塔结构的抗震设 计非常关键 。鉴此 ， 本文采用三维有 限元法针对 不 同高度塔背 回填混凝土的塔体模型进行三维有限 元静动力计算 ， 以分析 回填混 凝土对进水塔地震响 应的影响， 为工程设计提供依据。 1 计算分析过程 1 1 计算模型 采用 A N S Y S建立有限元模型 ， 混凝土和围岩地 收藕 日期 ： 2 0 1 4 0 7 2 3 作者简介 ： 李锋 ( 1 9 8 6 一) ， 男 ， 陕西 省神木县人 ， 助理工 程师 ， 主 要从事水 工结 构设计 工作 基采用 S O L I D 4 5单元来模拟 ， 地震时塔内外水体产 生 的 动 水 压 力 以 附加 质 量 的形 式 用 质 量 单 元 M a s s 2 1进行模拟 J 。模型在地基深度方 向、 上下游 侧及左右侧均取 2倍建筑物高度( 1 0 0 m) 的无质量 地基 ， 以反映地基刚度对塔体动力特性的影 响。基 础前后 、 左右边界分别按法向链杆约束 ， 基础底部边 界采用全约束 ， 以模拟截断边界 的影响。图 1为进 水塔纵剖面及 回填混凝土高度示 意图， 4个方案 回 填高程 分 别 为 1 7 5 4 0 0、 1 7 6 4 0 0 、 1 7 7 5 0 0和 1 7 7 9 0 0， 相应 的 回填高度依 次为 1 O、 2 0 、 3 l和 3 5 m。图2为不同高度 回填混凝土的塔体有限元模 型。计算直角坐标系为 ： 竖直 向上为 轴正 向， 顺水 流向为 Y轴正向， 垂直水流向指向左岸为 轴正 向。 1 2 材料参数 进水塔塔体材料为 C 2 5混凝 土， 回填混凝土强 度等级为 C 1 5 ， 塔体基础在弱风化岩体 内， 为 类岩 体 。材料力学参数 l 3 见表 l 。 西北水 电 2 0 1 5年 第 1期 8 7 4 5 - 0 2 ： 5 l 回填高度 ， r 一 图 3 地震工况不同回填高度下塔体位移变化曲线图 由计算结果可见 地震工况下塔体位移幅值远 大于正常工况 ， 为控制性工况。 在正常工况时 ， 不 同回填高度下塔体位移变化 较小 ， 整个塔体在 自重作 用下呈现 向库 区前倾的趋 势 ； 地震工况时各方案位移变化 幅度远大于正常工 况 ， 随着 回填混 凝土高度 的增加 ， 塔体位移显 著减 小 ， 2个水平方 向的位移 中， 向位移较 y向大 ， 这 是 由于进水塔沿进水方 向( 1 ， 向) 宽度比垂直进水方 向( z向) 宽度大 ， 且塔后通过 回填混凝 土和山体相 连 ， 导致 l ， 方 向整体 刚度 比 z向刚度大 ， 地震时 z 向变形显著。 2 3 塔 体应 力 反应 各方案塔体主应力变化趋势如表 4和图 4 、 5所 示 ， 图表 中正号表示拉应力 ， 负号表示压应力。 表 4 各 方案塔体主应力极值表 MP a 图4正常工况不同回填高度下塔体主应力极值变化曲线图 6 4 2 重 o 2 茕 域 _ 4 6 8 一 l O 图5 地震工况不同回填高度下塔体主应力极值变化曲线图 从图表中可以看 出， 地震工况下塔体主拉应力 远大于正常工况 ， 为控制性工况。 对于主压应力 ， 在 2种工况下 ， 随着回填混凝土 高度的增加均呈上升趋势 ， 但是变化幅度较小 ； 对于 主拉应力 ， 在正常工况下 ， 随着 回填混凝土高度的增 加呈上升趋势 ， 地震工况下 ， 则随着 回填混凝土高度 的增加呈下降趋势 ， 而且地震工况下拉应力幅值及 其变化幅度远大于正常工况， 说明回填混凝土能够 有效降低塔体地震情况下的拉应力值， 对于塔体抗 震设计非常重要。 3 结语 通过对不同高度塔背回填混凝土的进水塔三维 有限元静动力分析可知 ， 回填混凝土能够显著降低 塔体在地震情况下 的位移与拉应力 幅值 ， 对于塔体 抗震设计非常关键 ， 但是 回填高度太高不仅增加工 程成本而且会增加塔体约束 ， 导致在正常运行期塔 体拉应力值较大。因此在设计 中需要通过综合 比较 拟定合适 的回填高度 ， 既能使塔体在地震情况下位 移及应力值在可接受 范围内， 又不至于在正常运行 期出现较大拉应力 ， 同时也能降低工程成本 。 参考文献 ： 1 梁德娣 水 电站进水塔结构体 型的抗震动力特性 研究 D 西 安 ： 西安理工大学硕士学位论文 ， 2 0 1 2， 3 2 祖威 黄金坪右岸 小厂房进 水塔结 构静动力分 析 J 水 电站 设计 ， 2 0 1 4， ( 2 ) ： 6 3 6 6 3 D L T 5 0 5 7 2 0 0 9 ， 水工混 凝土结构设 计规范 s 北京 ： 中国 电力 出版社 ， 2 0 0 9 4 D L 3 9 8 2 0 0 7， 水 电站 进水 口设计 规范 S 北京 ： 中国电 力 出版社 ， 2 0 0 8 5 DL 5 0 7 7 1 9 9 7 ， 水工建筑物荷载设计规范 s 北京 ： 中国电力 出版社 ， 1 9 9 8 6 DL 5 0 7 3 2 0 0 0 ， 水工建筑物抗震设计规范 s 北京 ： 中国电力 出版社 ， 2 0 0 0 7 程汉 昆， 赵宝友 ， 马震岳 岸 塔式进水 塔结 构的抗震 与稳定 性 分析 J 水 电能源科学 ， 2 0 1 1 ， ( 1 1 ) ： 9 4 9 6 8 王铭 明， 陈健 云 ， 徐强 重力 坝一 库水 一 地基相互 作用分析方 法 比较研 究 J 大连理工大学学报 ， 2 0 1 3 ， ( 5 ) ： 7 1 5 7 2 2 2 O 4 罐 m 日 龟鼍 耳