水电站地下厂房结构抗震计算方法探讨研究资料

水电站地下厂房结构抗震计算方法探讨摘要：3种方法均能在一定关键词：地下结构；抗震计算；拟静力法；反应谱法；时程法DiscussiononseismiccalculationmethodsofundergroundstructureofhydropowerstationZHANGZhi-guo1,2,3, 3, MOUChun-lai1, XIAOMing2,3(1.ChangjiangDesignInstitute,Wuhan430010,China;StateKeyLaboratoryofResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China;KeyLaboratoryofRockMechanicsinHydraulicStructuralEngineeringofEducationMinistry,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Abstract:Accordingtonumerousin-situinvestigationsofearthquakedisasters,itiswidelyregardedthatundergroundstructureisofkeysignificanceforseismicdesignofundergroundcavern.SincenospecifiedsimulationmethodsaredefinitelyissuedinthespecificationsforseismicdesignofhydraulicstructuresinChina,threecommonseismiccalculationmethodsofundergroundstructureincludingquasi-staticanalysismethod,responsespectrummethodandtime-historymethodarediscussed.NumericalcalculationareconductedusingthesemethodsforundergroundpowerhousestructuresofYingxiuwanhydropowerstationunderearthquake;andcalculationresultsareanalyzedbasedonthein-situinvestigationofearthquakedisasters.Theresultsshowthatthreemethodscanreflectthedynamicfailureofundergroundstructurestosomeextentandprovideatheoreticalbasisfortheseismicdesign.Itisalsoshownthatthecalculationresultsofthequasi-staticanalysismethodispriortomoresaferdesignandunreasonableforsimulatingtoparchandcorbel;responsespectrummethodcanestimateweakpartsofstructure,butnotexactlyininteractionanalysisofconcretestructureandsurroundingrock;time-historymethodisabletopreciselysimulatetheseismicresponseprocessundertheearthquakedisaster;andcalculationresultisbestconsistentwithin-situinvestigationofearthquakedisasters,whichisbetterforpreciseandeconomicengineeringdesign.Time-historymethodissuggestedtobeusedfordynamiccalculationfortheundergroundpowerhouseofhighlevellarge-scaleorinhighseismicintensityregion.Keywords:undergroundstructure;seismiccalculation;quasi-staticanalysismethod;responsespectrummethod;time-historymethod引 言我国西南地区兴建了一批大型水电站地下厂房

洞室群。该地区属于地震多发带，地震烈度一般在VII度以上，地下厂房洞室的抗震性能直接关系到生成设备的正常运行和工作人员的生命安全。对汶收稿日期：2013-07-26973项目资助o.210725（o.9250o.52936，o.196（o.2126223。第一作者简介：张志国，男，1984年生，博士研究生，工程师，主要从事岩土工程、地下工程等领域的设计科研工作。E-mail：\hwhuzzg@ 岩 土 力 学 地下厂房洞室群的震后调查表明1]（1）该地下结

力场[7]： 1 1构较地面结构有较强的抗震特性，高山峡谷地区水

kc2

2

kcgCsT0

（1）（）I度而厂房衬砌等结构却出现明显的开裂和失效，厂房结构是地下厂房洞室抗震设计的关键。我国《水工建筑物抗震设计规范》[2]水工地下结构部分未对地下厂房建筑物的抗震设计方法作出

kc为峰值加速度放大系数；gCs卓越周期。XYZ角为、表示为明确说明，而是建议“在计入结构和围岩相互作用

e e xx yy zz yz xz

},,,,,

（2）动力时程法进行地下厂房结构的抗震计算[3－6]3种算法的计算理念及发展过程来看，动力时程法较

xx);zzcos()

cos()反应谱法更能合理地模拟围岩与结构的非线性作用过程，而反应谱法较拟静力法更能合理地模拟结构

yzxz

(cos()cos()cos())

（3）

y)() 地震波施加到结构上的地震荷载为模拟地下洞室中围岩对混凝土结构抗震特性的影

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[B]T}

（4）ev响，而这恰恰是地下洞室结构抗震分析的特点所在。动力时程法是一种时域求解方法，虽然能模拟地震的全过程，但其在实际工程设计中应用时间较短，如地震波荷载时程曲线的确定、地震波荷载的输入、人工边界、围岩与结构的接触、计算结果的分析评价等，均处于快速发展和研究阶段。采用不同的抗震计算方法，可能会对水电站地下厂房结构抗震设计带来一定的影响。ev333中的特点拟静力法地下结构抗震计算的拟静力法一般采用波动场应力法，首先根据指定的波动方程求解介质波动应力场，再考虑波动应力对地下结构的影响。地壳中

式中：[B]为有限元单元应变矩阵。（3）工程依此设计是偏安全的。反应谱法反应谱法有多种计算形式，《水工建筑物抗震设计规范》推荐采用振型分解反应谱法。该方法的理论是：结构物可以简化为多自由度体系，多自由度体系的地震反应可以按振型分解为多个单自由度体系反应的组合，每个单自由度体系的最大反应可以从反应谱求得。000作用下结构的位移可表示为[8]传播的地震波主要分为纵波和横波，其中纵波产生

nu

u

（5）正应力，横波产生剪应力。复杂的地震波经过傅里

i1

i ixix iyiy iziz叶变换，可表述成多组简谐波的叠加。根据规则的简谐波形，从理论上可推导出弹性介质体中波动应

iix、iy、z分别uix、uiy、uiz为频率为i的单自 水电站地下厂房结构抗震计算方法探讨 000可以根据设计位移反应谱或加速度反应谱直接简化计算。3（1）在围岩与结构间设置1层材料参数较低的垫层单3谱法计算的关键。动力时程法考虑了地震波的幅值、频谱特性，动力时程法[9]作为一种时域分析方法，则全面考虑了地震波的幅3的角度，分析结构作为地震波传播载体的受力特征，通过对工程区波动微分方程进行直接积分求解，模拟地震波在介质体中的传播过程，真实反映把握。映秀湾地下厂房结构震害调查2008（M8.0级（14k、破坏性强、波及范围大的特点9个梯级电站之一，上游电站为太平驿水电站，下游为紫坪铺3台发电机组，1971150～200室群由主副厂房、主变洞、母线洞、引水洞、尾水洞以及交通洞组成。主厂房的尺寸为52.8m×17.0m×27.9m10

为87。厚050×5，吊车梁为钢梁。发电机层楼板厚0.2m，横梁0.2m×。XI8km汶川地震后，笔者曾对映秀湾地下厂房进行震害调查，并参与了后续的厂房加固工作。主厂房结构破坏主要表现为以下几方面。厂房顶拱衬砌部分在震前就发现多条裂缝，震后部分裂缝宽度及长度有所增加（震前设有测缝计及裂缝标识2条沿上游下游边2～305～2mm的裂缝（1，一5m1mm的裂缝。图1顶拱开裂Fig.1Toparchfracture各洞室两侧边墙衬砌均有明显的纵向裂5m（2交接处出现表层剥落和局部裂缝。1#机组风0.85～1.70m1.8mm，缝深3.12～7.00cm。检查表明裂缝均为V形开口，在缝底部尖灭或闭合（3。剥落、错动开裂，局部钢筋弯曲外露（4。灾后采用基于环境激励的结构无损动态检 岩 土 力 学 图2发电机层楼板Fig.2Generatorfloor

计算分析及比较地板开裂地板开裂地板拱起3限元模型（5、9648Y1#3#机组为正，XY轴顺水流指向下游，Z轴C251.25。 图3发电机风罩Fig.3Generatorwindcover

5有限元整体计算模型Fig.5Finiteelementmodel图4洞室交口处Fig.4crossingXI洞室结构抗震性能依然不容忽视。

图6厂房混凝土结构模型Fig.6Concretestructuremodel结构在静荷载作用下的应力状态。3用基于Mohr-Coulomb屈服准则的弹塑性损伤本构3水电站地下厂房结构抗震计算方法探讨 与拟静力法的应力结果相对比。3计算如下。拟静力法计算条件和峰值加速度放大系数kcmax/g。根据叶建庆等[11]PSPS0.15sA2(t)A2(t)A2(t)xyz0.35skc一般可以根据《水工建筑物抗震设计规XI38(A2(t)A2(t)A2(t)xyz

108XYZ（8有限元计算程序[11]。8x向加速度x向加速度/(m/s2)420-2-4-6A(t)

（6）

0 2 4 6 8101214161820t/sX向加速度时程计算可得t13.06s时地表最大峰值加速度为10.14m/s2。同时规范规定，在基岩面以下50m及其以下部位设计地震加速度代表值可取为规定值的50%。本文计算中取kc0.5×10.14/9.810.52。计算程序采用自主开发的地下洞室三维弹塑性损伤有限元计算程序[13]。反应谱法计算条件max2.2510.14m/s2，可以绘制设（III特征周期0.2sANSYS的动力响应分析模块。图7地震波设计反应谱Fig.7Designresponsespectrum动力时程法计算条件EW、NS、UD20s

6y向加速度/(m/sy向加速度/(m/s2)20-2-4-60 2 4 6 8101214161820t/sY向加速度时程6z向加速度z向加速度/(m/s2)20-2-4-60 2 4 6 8101214161820t/sZ向加速度时程8汶川地震卧龙台实测加速度时程曲线Fig.8MeasuredaccelerationtimehistorycurvesofinWenchuanearthquake3种方法计算结果分析由拟静力法计算得到的映秀湾水电站厂房结构9所示。主厂房结构第一主应力5MPaC25风罩与楼板结合部混凝土出现明显的应力集中。主厂房结构第三主应力以拉应力为主，水轮机层以上 岩 土 力 学 1.25C253.2MPa左右。

121机层楼板；5指发电机层边墙；6指拱座；8指顶拱。11第一主应力图11第三主应力图图9拟静力法中第一、三主应力图（上游面,单位:MPa）Fig.9Quasi-staticmethodcontourmapsof1and3(upstreamface,unit:MPa)100.5MPaC25混凝土的抗压强度范1.25C25混凝墙衬砌等部位拉、压应力均较小。3MPa9MPaC25混凝土的抗压强度范围内结构未出1.2～2.8MPa1.25结构未出现拉裂破坏。3种方法计算结果对比2#3种算法计算结果并绘制成

第一主应力图第三主应力图图10反应谱法第一、三主应力图（上游面,单位:MPa）Fig.10Responsespectrummethodcontourmapsof1and3(upstreamface,unit:MPa)第一主应力图第三主应力图图11时程法中第一、三主应力图（上游面,单位:MPa）Fig.11Time-historymethodcontourmapsof1and3(upstreamface,unit:MPa) 水电站地下厂房结构抗震计算方法探讨 σ/MPaσ/MPa3.02.5σ/MPa2.0σ/MPa1.51.00.50.0

特征部位0 1 2 3 4 5 6 7 拟静力法反应谱法时程法拟静力法反应谱法时程法第一主应力图 拟静力法 时程法0 1 2 3 4 5 6 7 8特征部位第三主应力图

周期内结构作用地震加速度始终为峰值加速度。从结构压裂破坏的角度看，拟静力法计算结果是偏安全的。从第三主应力量值看，在顶拱以下部位拟静力法计算结果均较反应谱法、时程法大，结果偏安全，但在厂房顶拱部位应力量值较小，较时程法计算结果偏危险。反应谱法计算结果主要表现出发电机楼板、发电机层横梁等结构薄弱部位应力量值较反应谱法对地下结构动力响应薄弱部位的确定有其固有优势，其对薄弱部位的应力计算量值是偏安全3种方法计算结果与震后调查对比图123种方法第一、三主应力对比图Fig.121and3contrastfigureinthreemethods3

31拉应力超过混凝土极限抗拉强。表13种方法计算结果与震后调查对比Table1Resultsofthreecalculationmethodscontrastwiththeinvestigationafterearthquakedisaster方法水轮机层楼板水轮机层边墙发电机风罩发电机层楼板发电机层边墙吊车梁牛腿拱座顶拱震后调查对角闭合裂缝，地板隆起纵向裂缝闭合裂缝对角闭合裂缝，地板隆起纵向裂缝完整无损纵向裂缝多条裂缝拟静力法拉裂拉裂拉裂拉裂拉裂拉裂未开裂未开裂反应谱法未开裂未开裂未开裂拉裂未开裂未开裂未开裂未开裂时程法拉裂拉裂拉裂拉裂拉裂未开裂拉裂拉裂1算结果均表明主厂房结构特征部位未出现压裂破坏，而是出现不同程度的拉裂破坏，这与震灾调查以拉裂破坏为主”较吻合。拟静力法计算结果显示，水轮机层楼板、水轮机层边墙、发电机风罩、发电机层楼板和发电机层边墙混凝土拉裂，与震灾调查相吻合，但拟静力法显示吊车梁牛腿部位混凝土拉裂，拱座及顶拱未开裂，与灾后调查中吊车梁牛腿完整无损，拱座以上发电机层楼板、横梁拉裂，吊车梁牛腿未开裂，这

1.25MPa这是另外两种方法无法做到的。总体来看，拟静力法计算结果与震害调查基本吻合，应力量值总体较反应谱法和时程法偏安全，但其对顶拱、牛腿等局部结构存在一定的不合理之处。反应谱法计算结果集中反映结构薄弱部位的地震响应情况，但在顶拱、边墙衬砌、水轮机大体积 岩 土 力 学 混凝土等与围岩直接接触的结构地震响应分析时有计算结果与震害调查吻合较好。厂房结构抗震计算方法探讨3震后调查对比表明，3震设计提供理论依据。且基本能反映厂房结构动力破坏情况，但实质上是1组伪地震荷载，无法精细反映顶拱、吊车梁牛腿等特性结构物在地震中的受力特性。反应谱法考虑了结构自身振型特性，能反映结构薄弱部位的地震响应情况，但其未能全面反映地震过程中围岩与地下结构的相互作用关系，仅表现出围岩对结构的强约束，致使顶拱、边墙衬对厂房结构破坏情况模拟效果相对较差。时程法综合考虑了地震波的幅值、频谱和持时三大特性，精细反映了地下结构的波动过程，能准确模拟厂房结构的动力破坏情况，但在实际工程设计中应用时间较短，各种计算理论仍不完善，计算耗时长，尚未得到已建工程震害实例的检验。3抗震计算。结 论（1）出现了不同程度的拉裂破坏，3理论依据。（2）3果偏安全，但其对局部结构计算有一定不合理之

时程法能精细反映地下结构的地震破坏情况，计算结果与震害调查吻合较好，但其计算过程繁琐，耗时长，并且理论不成熟。动力时程法作为一种优秀的抗震计算方法，值得研究与推广，建议对安全级别高、规模大或处于高地震烈度地区的地下厂房结构采用该方法进行计算，便于指导其抗震的经济设计。参考文献宋胜武,蒋峰,陈万涛.汶川地震灾区大中型水电工程震损特征初步分析[J].四川水利发电,2009,28(2):1－7.中国水利水电科学研究院.SL203－1997抗震设计规范[S].北京:中国电力出版社,1998.高峰,石玉成,严松宏,等.隧道的两种减震措施研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(2):222－229.GAOFeng,SHIYu-cheng,YANSong-hong,etal.Studyoftwoshockabsorptionmeasuresintunnel[J].ChineseJournalofRockMechanicsandEngineering,2005,24(2):222－229.孙铁成,高波,叶朝良.地下结构抗震减震措施与研究方法探讨[J].现代隧道技术,2007,44(3):1－5.SUNTie-cheng,GAOBo,YEZhao-liang.Discussiononanti-seismicandseismic-relievingmeasuresandcorrespondingresearchmethodsforundergroundstructures[J].ModernTunnellingTechnology,2007,44(3):1－5.章伟.近年日本的隧道施工与抗震设计[J].世界地震工程,2006,22(2):68－71.ZHANGWei.Currentconstructionandearthquake-resistantdesignfortunnelsinJapan[J].WorldEarthquakeEngineering,2006,22(2):68－71.王明年,崔光耀.高烈度地震区隧道设置减震层的减震原理研究[J].土木工程学报,2011,44(8):126－131.WANGMing-nianCUIGuang-yao.Studyofthemechanismofshockabsorptionlayerinthesupportingsystemoftunnelsinhighlyseismicareas[J].ChinaCivilEngineeringJournal,2011,44(8):