考虑地震行波效应的大型水电站高耸进水塔群响应分析及碰撞研究

摘要：大型水电站进水塔塔群横向跨度大，地震空间效应会对塔群产生影响，工程界十分关注，真实模拟塔群结构对地震行波效应的响应也是计算分析的一个难点。本文采用直接加速度多点输入模拟大跨度结构在地震空间变化时的结构振动形态，用动接触方法模拟相邻塔段之间相互作用。计算表明对于大跨度高耸结构，地震行波效应对塔体动力反应有存在一定的影响，设计中需给予考虑；考虑行波效应时塔段之间分缝张开、而且有塔段碰撞现象；考虑地震行波效应与否对塔体顺水流向位移影响不大，对应力分布及最大值影响不明显。     

行波激励下大型水电站高耸进水塔群响应分析及碰撞研究

采用大质量法地震动输入对大型水电站进水塔群的动力特性进行了整体模拟,其中在考虑了地震空间效应的影响和相邻塔体之间的连接方式前提下,针对相邻塔体之间采用接触的方法模拟其相互作用,而且对地震过程中相邻塔体是否出现碰撞等由地震空间效应引起的相关问题进行分析.通过分析得出,对于大跨度高耸进水塔结构,地震行波效应对塔体动力反应有显著影响.     

考虑地震行波效应的渡槽动力响应分析

以南水北调中线漕河渡槽为研究对象,考虑在地震行波效应问题中,采用支座大质量法实现多点地震输入,并与一致输入的结果进行对比。结果表明:地震波多点输入考虑行波效应时,渡槽结构纵向位移峰值可增大数倍;地震效应对横向位移值的影响最为显著,对竖向位移值和应力分量的影响不大;在行波效应影响下,纵向位移和横向位移有增大趋势,竖向位移、第一主应力和第三主应力呈减小趋势。     

泸定水电站岸塔式进水塔结构动力响应分析

根据泸定水电站岸塔式进水塔的结构特点,建立了进水塔结构—水体—地基的三维动力有限元附加质量模型。分析了进水塔结构在施工完建期空库工况和正常蓄水位工况下分别与水平向、三向地震作用叠加的动力特性,确定了可能引起结构破坏的最不利位置。计算结果表明,水平向地震作用对结构应力应变影响较大,竖向地震作用的影响较小。     

考虑接触非线性的进水塔动力响应分析

进水塔处于水利枢纽的咽喉部位,在地震时确保其安全对整个工程意义巨大.进水塔塔后高回填在地震时可能与进水塔分开、接触或滑移有关,通过引入接触单元考虑两者之间的相互作用.采用动力时程分析方法研究了塔体结构薄弱位置处应力、应变特点及规律,对水电站进水塔结构与塔后回填混凝土的接触部位进行了地震反应分析研究.分析结果表明,在地震...     

某水电站进水塔地震作用下鞭梢效应分析

采用时程法计算地震作用下某进水塔的动力特性,提取顶部排架柱的动力响应结果,分析顶部结构在地震作用下鞭梢效应所带来的放大增幅以及出现原因.分析结果显示:塔顶排架柱迎水向存在明显的鞭梢效应,动力响应规律与传统高耸结构相似,其中拦污栅排架柱顶部位移响应相对底部放大了2.02倍,加速度响应变化幅度达到84.18％;启闭机排架柱...     

多跨连续梁桥地震行波效应分析

地震动输入一直是工程抗震研究所关注的焦点。多跨连续梁桥纵向延伸较长,进行地震反应分析时应考虑有限波速所引起的行波效应。以某座12跨预应力混凝土连续梁桥为例,推导了结构的运动方程,采用有限元结构分析软件ANSYS建立了该桥的动力分析模型,进行了动力特性分析和时程分析。通过输入不同波速的地震波,计算行波激励下桥梁的地震反应,并和一致激励下的结果进行对比,分析行波效应对桥梁地震反应的影响。结果表明:随着波速的增大,桥梁的地震反应先减小后增大。     

拱坝随机地震行波效应分析

将随机振动的虚拟激励法与拱坝地基动力相互作用FE-BE-IBE时域模型结合,发展了一个可以考虑随机地震动行波效应的拱坝随机动力响应计算模型,并用Monte-Carlo法对模型进行了验证.不同行波波速的计算结果表明,行波效应可以影响拱坝的动力响应,幅度在10%~20%,较小的行波波速在坝体边界产生应力集中现象,表明行波效应对拱坝动力响应具有显著影响.     

基于流固耦合的高耸进水塔动水压力分布研究

根据水体的不可压缩假定,计入重力波和水体自由表面影响,采用流固耦合理论结合时程分析法对高耸进水塔结构动响应进行研究,结果表明,在地震荷载作用下,水体对水中结构的影响具有明显的非线性。水体不仅产生一定的附加质量作用,同时还存在一定的惯性耦合作用;进水塔动水压力沿高程呈非线性分布,且塔体内外同高程动水压力值不同,但沿高程分布曲线的包络线都呈近似半双曲线形式,动水压力最大值出现在水体自由表面以下一定距离处。所得结论对正确认识结构在地震荷载的反应、指导结构设计有重要意义。     

超大型地下洞室群的随机地震响应分析

地下结构的地震响应分析由于结构-围岩的动力相互作用及地震动输入的不确定性而十分复杂，尤其是对空间尺度很大的大型水电站的超大型地下厂房洞室群，地震动输入的空间变化特性将对结构的地震动响应产生重要的影响。本文首先通过阻尼影响-抽取法求出地下结构无限围岩介质的动阻抗，在此基础上通过考虑地震动输入空间变化的随机过程模型，采用随机分析方法研究了地震动输入机制对地下洞室群动力响应的影响。结果表明，地震波的行波效应、空间相干性损失及散射效应是影响地下结构动力响应的关键因素。考虑地震波的行波效应和空间相干性损失可以使地下结构的地震响应降低，但是地震波的散射效应可以增大地下结构的地震响应，结构的动力响应分析必须综合考虑这几项影响。     

高耸进水塔塔后回填高度对其抗震性能的影响

针对高耸进水塔塔后回填高度的选取问题,规范未给出通用的取值范围,在计算分析时一般只考虑塔后回填对塔体应力的影响,对塔后回填与基岩交接处的应力涉及较少。在保证进水塔稳定的条件下,采用ANSYS有限元分析理论,建立进水塔三维有限元模型,选用反应谱法计算了进水塔在地震作用下的动力响应,对比分析了不同塔后回填高度对进水塔结构自振频率、位移、塔体应力、回填与基岩交接处应力的影响程度。结果表明:塔后回填高度在一定范围内时,塔后回填能够有效提高塔体的自振频率,改善塔体的位移及应力,塔后回填混凝土与基岩交界面处的应力值有小幅度的增大;当塔后回填高度超过一定值时,回填高度的增加对塔体的自振频率、位移、应力的改善逐渐减弱,塔后回填混凝土与基岩交界面处的应力出现突增。综合分析得出此类进水塔合理的回填高度约为0. 64倍塔高。     

非一致地震作用下高坝-复杂地基体系动力响应分析

地震波场的构建与输入是高坝抗震分析的关键。本文提出了一种适用于三维成层场地的自由波场时域化求解方法,并在此基础上建立了远置层界面模型以分离上行和下行波场,以解决不规则场地和断层分布等复杂地质条件;进而结合不同波型的连续性特征与振动特性,利用几何推导将单列节点位移推广至整个空间场地,以提高计算效率;并采用改进的波动输入方法将复杂波场转换为地基边界上的等效节点力。本文重点研究了精细化的三维高坝-地基体系在垂直和倾斜入射SV波作用下的动力响应,并与均质地基条件下的结果进行对比。结果表明：非一致地震波作用下坝体结构动力响应的空间差异性显著,坝顶不同位置的位移极值响应可相差至80%;SV波倾斜入射时坝体振动响应远大于垂直入射的情况,位移极值可相差2~3倍,高应力区时段相差较大,且整个体系的拉裂破坏范围更广;复杂地质条件会加剧坝体的损伤情况,且对较大应力区的产生时间与分布情况有显著影响。研究结果证实了综合考虑地震波的非一致特性与场地地质条件的必要性,可为其他大型工程结构抗震响应分析提供参考。     

地震动设计反应谱特性对进水塔增量动力分析结果的影响研究

汶川地震后相关部门结合震害调研和抗震经验对水工建筑物抗震设计规范进行了修编,标准设计反应谱曲线下降段指数由0.9调整为0.6,场地类别及其相关的反应谱特征周期有所调整。根据新老抗震设计规范的不同规定,对我国西南某水电站进水塔进行增量动力分析,研究比较新老标准设计反应谱特性的变化对进水塔增量动力分析结果的影响。研究表明,根据旧规范DL 5073—2000,满足最大设计地震要求的进水塔抗震能力为0.299 g,而根据新规范NB 35047—2015,抗震能力为0.192 g,降低了35.8%。因此,标准设计反应谱特性的变化对进水塔增量动力分析结果的影响显著。研究结果可为水工抗震规范的应用和工程抗震设计提供有益的参考。     

沙牌水电站进水塔震损模拟分析

以沙牌水电站进水塔为例,研究了进水塔塔身以及上部排架在地震过程中的动力响应和震损机理。采用动力时程分析法计算进水塔在汶川地震作用下的加速度、位移和应力响应,并通过塔顶排架立柱极限承载力验算分析排架立柱震损破坏的原因。计算结果表明:进水塔动态分布系数大于规范建议值,刚度较小的主轴方向地震响应较大,立柱两端出现明显的应力集中。进水塔启闭机排架的震损是地震作用下压(拉)弯剪共同作用导致的,且立柱根部发生破坏,与实际资料吻合。     

水电站进水塔不同抗震验算方法对比分析

为了对西南地震高烈度区的水工建筑物进行抗震验算,分别采用拟静法和振型分解反应谱法对雅砻江官地水电站进水塔结构进行抗震分析.分析了两种方法下地震惯性力和动水压力计算的差异,并分别对进水塔进行了抗滑与抗倾覆稳定性验算.结果表明,两种方法计算得到的安全系数均符合规范要求,两者抗滑稳定系数相差不大,而抗倾覆稳定系数相差较大,用...     

非一致地震动输入下高面板坝地震反应特性

为研究地震波非一致输入对三维高面板坝动力反应的影响,采用波场分离的思路将人工动力边界处的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场和局部场地效应引起的散射场,借助黏弹性边界建立地震波在自由场作用下地震动非一致输入,实现考虑地基辐射阻尼和地震波行波效应的地震动输入。对我国西南地区某高面板坝进行非一致地震动反应分析,研究P波和SV波作用下坝体结构的动力反应规律。结果表明:当P波非一致输入时,随着入射角度的增加,竖向加速度和动位移极值逐渐减小,水平向加速度和动位移极值逐渐增大;SV波非一致输入时,地震动反应规律与P波入射时相反。入射角度对地震波的行波效应以及坝顶加速度反应谱幅值等都有较显著的影响。     

进水塔塔背回填抗震设计优化研究与动态响应分析

为分析塔背不同回填材料与不同回填厚度对进水塔动态响应的影响,建立6种回填材料与4种回填厚度相互组合下的数值试验模型,对进水塔进行动力分析。对比进水塔关键部位的应力与位移发现:回填材料的不同对塔背与回填交界区域应力有一定影响,石渣回填时,此区域应力最大值有很大减小,接触面应力分布状态也发生了变化;回填厚度对塔顶位移的影响不大。根据数值试验的计算结果与分析规律,合理使用石渣回填,设计了一种新的回填型式。此型式下塔背与回填交界区域不在为集中应力发生的部位;接触面最大应力大幅减小,相同部位的应力值减小;大应力区位置向下偏移,且区域变大、变宽,说明新回填型式改善了进水塔结构的应力状态,对其安全很有利。将提出的回填方法应用于某泄洪洞进水塔结构中,对比分析了新回填型式与原回填型式两种情况下此进水塔塔背与回填交界角点应力时程曲线、塔背与回填接触面应力云图与损伤云图。结果表明新回填型式下进水塔与回填接触面的动态响应得到了很大改善,该方法对进水塔结构的抗震与安全具有重要意义,可供类似工程借鉴。     

卡拉贝利水利枢纽联合进水口进水塔群的布置及抗震设计

卡拉贝利水利枢纽进水口塔群设计面对高烈度地震频发、多泥沙、高水头运行等不利条件,通过对塔群设计遭遇的这些难题的分析认为,需从塔群布置、枢纽防沙、孔口尺寸和高程的确定及抗震设计等方面采取应对措施。因此提出了如下措施:设置高水头下的深式进水口,为确保水库运行安全,有条件时建议设置两条深孔泄洪洞;由于水库调节库容设计时已考虑水库运行50年泥沙淤积量,因此枢纽防沙主要是电站防沙,设计中通过抬高发电洞进口底板高程、前沿平齐布置等措施减少泥沙对机组磨损,同时制定合理的水沙调度方案使水库长期发挥效益;深式进水口各进口尺寸高程的确定需满足淹没深度、高水位泄洪、低水位排沙、导流度汛及放空等要求;综合分析考虑有限元和材料力学两种方法的计算结果,在回填混凝土顶面竖向应力较大处应增加竖向钢筋,以加强抗震措施。