基于静力弹塑性法的水电站厂房抗震性能分析.pdf

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西北水电·2014年·第3期79文章编号：1006-2610(2014)03—0079—05基于静力弹塑，I生法的水电站j---房抗震，陡能分析鹿宁，-2,邱敏，吕东海(1．中国水电顾问集团西北勘测设计研究院有限公司，西安710065；2．陕西镇安抽水蓄能有限公司，西安710061)摘要：中国在建和拟建的大型水电站多处于强地震活动区域，水电站厂房的抗震性能问题十分突出。长期以来，水电站厂房结构的抗震计算大多是基于线弹性材料，未考虑水工钢筋混凝土在高地震荷载作用下所显现的强非线性特征。文章以实际工程项目——怒江赛格水电站厂房为研究对象，运用静力弹塑性方法分析了混凝土进入塑性阶段后厂房结构的抗震性能。关键词：水电站；厂房，抗震分析，静力弹塑性，push-over中图分类号：Tv731文献标识码：APush——over—，basedAnalysisOilAseismicPerformanceofPowerhouseofHydropowerStationLUNing，LIZuo—zhou，QIUMin，LVDong—hal(1．HYDROCHINAXibeiEngineeringCorporation，xian710065，China；2．ShaanxiZhen'anPumpedStoragePowerPlantCo．，Ltd．，Xi"an710061，China)Abstract：Acoupleoflarge—sizedhydropowerstationsbuiltandunderconstructionarelocatedinstrongearthquakeoccurrenceregions．Therefore，theaseismicperformanceofthosehydropowerstationsissignificant．Inthepast，theaseismiccomputationofthepower-housestructureisbasedonthelinearlyelasticmaterials．Thestrongnon-linearfeatureofthehydraulicreinforcedconcreteappearingunderactionofthehighearthquakeloadisnotconsidered．WiththeengineeringpracticeofthepowerhouseofSaigeHydropowerProjectontheNujiangRiver，inthispaper，theaseismieperformanceofthepowerhousestructureafteritsconcretecomesintoplasticstageisanalyzedbyapplicationofthepush—overanalysismethod．Keywords：hydropowerstation；powerhouse；aseismicanalysis；push—over由于地质构造的原因，水利资源丰富的西南和水电站厂房为研究对象，本工程罕遇地震烈度对应西北地区大多是高烈度地震频发地区，大震以及罕的加速度峰值为0．403g。遇地震发生的几率相对较大。因此，基于混凝土材赛格水电站为怒江中下游河段规划梯级开发的料非线性的抗震反应分析也显得较为重要。目前，骨干工程之一，工程坝址位于怒江下游。工程以发时程分析法虽可以进行材料非线性地震响应分析，电为主，兼顾灌溉等综合效益。工程属Ⅱ等大(2)但需要提供非线性材料的滞回曲线，并且花费巨大型，挡水、泄洪、引水发电等主要建筑物按2级建筑的计算时间和计算资源；而最新应用于房屋建筑结物设计，次要建筑物按3级建筑物设计。正常蓄水构的静力弹塑性(push—over)分析具有计算时间短、位732．00m，死水位727．00m，总库容3．015亿m。无需材料滞回曲线、收敛性好等优势。因此，本文将，装机容量1100Mw。静力弹塑性方法进行改良使之适用于水电站厂房结1计算思路构的抗震分析。本文以实际工程项目——怒江赛格本文不采用常规push—over的倒三角或均布推收稿日期：2014—03—22覆力加载模式，而是采用动态分布系数作为推覆力作者简介：鹿宁(1982一)，男，陕西省西安市人，工程师，从事水加载模式，运用push—over方法，以不断增大的水平利水电设计工作． 8O鹿宁，李作舟，邱敏，吕东海．基于静力弹塑性法的水电站厂房抗震性能分析地震惯性力系数(或地震系数)与水电站厂房结构3计算动态分布系数的塑性行为建立关系。动态分布系数可以看作是地震惯性力在空间的分布趋势。动态分布系数也即水平地震加速度分布系数2模型建立，是指i处重心的由地震产生的绝对加速度与地面加速度的比值。规范中动态分布系数以平面模型本文采用ANSYS有限元程序计算，采用实体单的结果给出，见图3。元SOLID65单元进行整体式有限元模型建模，利用河床式厂房坝后式、岸边式厂房ANSYS程序提供的多种强化准则来实现材料的塑—业l|性性能。网架材料的理想弹塑性模型本构即采用双水线性随动强化模型进行模拟。本文通过定义此平^向／寸l11．7／J．0(MISO)强化准则来实现混凝土等效的应力应变曲顺河流lf线。为考虑混凝土受箍筋约束强度增加的影响，混向凝土的单轴受压应力一应变关系采用Kent—Park模一型，如图1。而1D结构在地震推覆力、自重荷载及钢筋的箍束作注：为厂房总高度；Hi为J房F邵绪构高厦；为J房上邵绪构高厦。用下处于复杂的三维应力状态。ANSYS程序目前图3文献[2]中的动态分布系数图所采用的是William～Warnke五参数强度准则l6j。地震时建筑物的绝对加速度是由地面加速度和裂缝模型采用分布裂缝模型。具体网格剖分见图建筑物的相对加速度组成，水工建筑物的动态分布2。系数计算组合方式按式(1)进行计算：厂——————————————————一——=√[1一∑研()]+∑[()]J：1J=1(1)式中：为i节点的动态分布系数；叼，为阶频率下的振型参与系数；，(i)为i节点阶频率下的水平位移；JB，为阶频率下的对应的动力放大系数，可由规范DL5073—2ooo<水工建筑物抗震设计规范》j中设计反应谱查得，如图4。图1Kent—Park应力应变曲线图≤l：110n0图4文献[2]设计反应谱图由于网架局部振动较多，本文为了能较真实反映墙体结构的动力特性，取前3O阶频率参与计算。表1、2分别列出机组段厂房上、下游墙动态分布系数沿墙面的分布规律，其坐标使用墙体局部坐标。墙体局部坐标的原点位于各自墙体右下角，轴指图2机组段厂房网格剖分图向下游方向为正，y轴为横河方向指向左侧为正，Z轴指向上为正，坐标系符合右手螺旋法则。 西北水电·2014年·第3期81表1机组段厂房上游墙动态分布系数沿墙面的分布规律部顶点7号点水平位移与地震系数(即惯性加速度系数，是地震时地面最大加速度与重力加速度的比值，以k表示)关系曲线，分别为向上、下游两方向推覆情况。向下游推覆，结构的极限水平地震加速度为0．405g。向上游推覆，结构水平地震加速度为0．460g，可见，向上游推覆时的抗震作用大于向下游推覆情况。上游墙顶点8号点的在2个方向上的极限位移基本相当，均为1．2m左右；下游墙顶点7号点的极限位移向上游时为0．56m，向下游时为0．75m，其两方向上的极限位移有较大差异。向下游推覆可以看出8号点与7号点在0．10g时出现明显的拐点，也就是说2个墙体在0．10g时基本同时屈服。而向上游推覆时，其屈服点出现不同步，上游墙为表2机组段厂房下游墙动态分布系数沿墙面的分布规律0．05g左右，下游墙为0．15g。这说明结构的抗侧能力与侧向力的方向有密切的关系，也就是说地震动峰值出现的方向对于结构响应有一定影响。4计算结果分析图5机组段厂房控制点示意图4．1位移分析考虑地震荷载的往复作用，以及机组段厂房上下游结构的不对称影响，在施加水平推覆力时施加向上游和向下游2组水平推覆力。文中的地震惯性力推覆极限是指结构在此侧向荷载基础上尚若继续增加，将会有较多单元开裂退出，进而在开裂较为严重甚至贯通的部位形成塑性铰，进而这一局部成为机动结构，发生大位移，导致ANSYS程序的计算结果不收敛。但是不可忽视的是，在此时结构虽有大范围的破坏或失稳，其结构可能还尚有较小的一部分承载力；所以本文将此作为极限状态是合适的。图6向上游推覆时极限承载力下的位移分布控制点位置如图5。(未显示网架)图单位：m图6和图7为机组段厂房分别向上游推覆和向4．2结构延性分析下游推覆达到极限承载力时的位移分布。图8与图钢筋混凝土延性结构的位移延性系数定义9为机组段厂房上游墙中部顶点8号点与下游墙中为：结构屈服后的位移与屈服位移之比。经计算，上 82鹿宁，李作舟，邱敏，吕东海．基于静力弹塑性法的水电站厂房抗震性能分析下游墙延性系数见表3。由表3可以看出墙体延性随推覆的方向有一定差异，各点下游推覆时的延性差异较小，均在1．7左右；上游推覆时的延性差异较大。上游墙向下游推覆时与下游墙向上游推覆时延性较高。8～l6号点的延性可以认为是墙体上部薄墙的延性。可以看出，薄墙的延性最小、整体结构的延性居中，下部剪力墙的延性最大。上游墙8号点的延性系数随屈服位移的增大而减小，下游墙7号点的延性系数随屈服位移的减小而增大。也就是说变形所需的屈服强度随延性系数的增大而减小，同时随着值的增大，屈服强度进一步减小，但是减小的速率变慢。4．3应力分析图10～11为向上游推覆过程中，的发展变图7向下游推覆时极限承载力下的位移分布图单位：m化过程。从应力分布上看，其应力都主要集中在这些刚度出现突变的部位；随着墙体屈服，其应力重分布后逐渐均匀化。向下游推覆时，与上游类似，这里不再赘述。水平位移／m图88号点水平位移一地震系数关系曲线图籁甍图10向上游推覆力0．125g时结构应力图图97号点水平位移一地震系数关系曲线图表3机组段厂房上下游墙延性系数计算表图11向上游推覆力0．405g时结构1应力图