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《九甸峡水利枢纽工程调压井衬砌结构地震响应研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、九甸峡水利枢纽工程调压井衬砌结构地震响应研究设计与施工水利规划与设计2006年第5期九甸峡水利枢纽工程调压井衬砌结构地震响应研究苟建国(甘肃电力投资九甸峡水利枢纽有限责任公司兰州730000)【摘要】九甸峡水利枢纽工程电站总装机300MW,引水发电洞长2240m,调压井结构形式为开敞阻抗圆筒式,直径22m,井高9lm,其中3lm外露地面以上,枢纽区域内基本烈度为7度,地震效应对结构影响较大.本文运用三维动力有限元分析方法,分别采用流构耦合模型和附加质量模型模拟动水压力作用,对调压井结构进行了计算,分析研究了动力状况下的变形和应力应变状态
2、.【关键词】水电站调压井附加质量流构耦合动力有限元【中图分类号】TV732.5—3【文献标识码】A【文章编号】16722469(2006)050049051概述甘肃洮河九甸峡水利枢纽工程位于甘肃省卓尼,临潭两县交界的黄河支流洮河中游的九甸峡峡口处,坝址距兰州市区约193km.工程主要建筑物有混凝土面板堆石坝,左岸两条平行的表孔溢洪洞,右岸泄洪洞,右岸引洮总干进水口,右岸引水发电洞系统(包括引水洞,调压井及压力钢管)及发电厂房等.水库正常蓄水位2202.00m,校核洪水位2205.1lm,混凝土面板堆石坝最大坝高136.5m,总库容为9.
3、43亿m3,属完全年调节水库.水库电站总装机容量为300MW,年发电总量为1O.O2亿kW?h.2调压井布置设计九甸峡水利枢纽工程采用长隧洞引水式布置形式,其引水发电系统主要包括引水洞,调压井和高压管道.其中引水洞总长2240m,直径9.5m,为有压隧洞;调压井为开敞式竖井形式,阻抗圆筒式结构,内径22m,底部高程2137.00m,顶部高程2226.00m,井身总高9lm,其中有3lm(高程2195.00m)位于地面以上,为高耸结构,筒身全部采用钢筋混凝土衬砌;调压井后接三条压力管道,直径4.5m,采用钢板衬砌.调压井布置见图1.图1调
4、压井布置图3动力分析方法根据调压井结构特点,在进行有限单元分析时,按结构实际情况建立有限元地震响应分析模型.调压井衬砌材料为混凝土,采用线弹性材料;围岩采用岩土工程中常用的摩尔～库仑弹塑性材料.计算软件采用大型通用商业有限元软件AN—SYS,地震响应波根据兰州地震工程研究院提供的的地震加速度纪录,进行三维非线性有限元瞬态响应分析,分析包括:作者简介;苟建国(1964年一),男,高级工程师?49?设计与施工水利规划与设计2006年第5期①不考虑水作用的结构自身特征值分析,通过一阶和二阶特征值计算结构的阻尼;②以附加质量形式考虑动水压力作用
5、的地震加速度响应分析;③以流体单元模拟水作用的流构耦合地震加速度时程分析.3.1材料参数结合调压井所处位置的地质条件,分析确定衬砌结构及围岩材料物理力学特性见表1.表1结构及围岩材料的物理力学特性表密度粘聚力c内摩擦角材料名称弹模(Pa)泊松比(kg/m.)(Pa)(度)衬砌混凝土24002.8el00.167第一种围岩23OO0.2e100.240.1e635第二种围岩2690O.5e100.240.25e635第三种围岩26900.8e10O.240.4e6353.2有限元模型根据调压井的受力特点,有限元分析中一般采用附加质量法或流
6、构耦合分析法,可以更好地反映水在地震发生时对结构的真实响应,本文采用两种方法,借助先进的计算软件ANSYS,通过合理的结构简化,对九甸峡工程调压井进行了动力分析.①附加质量法有限元模型结构单元全部采用三维实体单元solid45,通过表面效应单元surfl54模拟附加质量.考虑地震时水体与结构的共同作用,水按不可压缩流体作小振幅运动.附加动水压力P的变化服从拉普拉斯方程:02/,02/,一0az.a.a在流体边界上,或者压力是已知的,或者是流体和以某种运动规律运动的固体相接触.后一种情况下边界条件为:aaO—n一一10是边界位移的法向分量
7、,p是流体密度,"是接触面的法线,其正向指向流体的外部.在相应的有限元列阵中,将地震力等效结点载荷,动水压力等效结点载荷引入动力学方程:[K]{}+[C]{}+[M]{}z--[M]{.}一[M]{以}考虑到{&}=}+{}[K]{)+[C]{}+([M]+[M]){)一一([M]+[Mp]){}显然水与结构共同作用时,动力方程不变,只是在质量矩阵[M]上附加了质量矩阵[M],[M]体现了流体的质量对固体运动的影响.上述公式中,{),{,f}分别是结构相对地面的结点位移,速度和加速度列阵.f)为地面的加速度列阵,{是结构结点的绝
8、对加速度列阵,[K]为结构整体刚度矩阵,[M]是整体质量矩阵,[c3是整体阻尼矩阵.3.3流构耦合有限元模型在ANSYS系统中,水可以采用三维流体单元FLUID80,用来模拟容器内无流速的流体,计算静水压力
