高坝发电引水进口塔结构安全性分析

高坝发电引水进口塔结构安全性分析

强震区高塔的结构性能和安全性关系到电气站的正常运行，可能会影响主要水库和枢纽的安全。它是一个重要的建筑，确保了电气站的效率。考虑到川南县的高地震，准备了高坝水库水电工程项目，并对这些项目的结构进行了优化和重新设计。考虑到这些项目中进水塔结构的特点，通过优化塔的形状来降低塔的刚性，不仅可以节约工程成本，而且有助于提高结构的抗疲劳动设计。考虑到静力分析中结构规模的增加和刚性增加对结构的位移和应力有利，但在动态分析中，体和刚度过大，必然会集中在较大的压力下，这不利于结构的抗疲劳动设计。因此，动态设计与静态设计在管理上是不同的。在强地震激励下，高进入水塔的力学行为和结构性能，选择合理有效的数值分析法，建立结构安全评估标准，是这些水工建筑物设计中最重要的技术。本文在前人水库工程的指导下，重点研究了强震区和金水塔等100米长的快速地震勘探技术。采用通用金元软件abaqus，通过对塔体结构、塔背混凝土高度等重要部分的优化，获得最合适的抗疲劳动设计和投资成本效益。1计算条件1.1进水塔结构组成长河坝水电站位于大渡河上游河段,电站总装机容量2400MW,正常蓄水位1690m,坝壅水高220m,进水塔高73m,正常蓄水位以下库容约9.85亿m3.进水塔结构为典型的岸塔式进水塔结构,结构主要包括塔身和拦污栅框架,框架由拦污栅柱、联系拦污栅柱的水平横撑和联系拦污栅柱与塔身的水平纵撑组成.根据一般工程经验及本工程实际地质条件,岩石基础选取的高宽为进水塔结构本身高宽再向上下游面和底面各延长1.0倍左右.岩石基础底面视为固定边界,即岩石基础底面约束全部位移;基础上下游面约束顺水流向水平位移,两侧面约束横水流向水平位移.1.2结构有限元模型结构主要采用8节点六面体等参单元离散,计算单元总数为333718,求解自由度数为1088481.网格划分时考虑了结构的几何形状、受力特征和材料分区.进水塔结构及其岩石基础都近似假定为各向同性、均匀连续的线弹性体.库水压力、扬压力、动水附加质量均只作用在相关面上.其有限元模型见图1.1.3设计结构位移对比静力计算考虑静水压力和扬压力的作用,动力计算考虑结构在顺水流向、横水流向和竖向3个方向地震作用,结构的应力位移为静力和动力计算叠加结果.反应谱采用水工建筑物抗震设计规范谱,顺水流向和横水流向加速度峰值为222g,竖向加速度峰值按照规范折减为148g,计算水位为正常蓄水位.2凝土体型的优化塔背混凝土优化对结构的自振频率和应力位移均有影响,合理的塔背混凝土体型不仅可以减少混凝土用量,降低工程成本,而且对提高结构的抗震性能和安全稳定性也很有帮助.本研究希望通过对不同塔背混凝土体型在三向地震作用下的应力应变分析,得到有利于抗震设计的优化体型.2.1集料用塔背回填通过不断减少塔背混凝土顺水流向和横水流向长度来寻求合理的体型.本部分比较研究共包含3个模型,顺水流向和横水流向减少长度分别如表1所示,竖直向塔背回填高度不变,均为36m.2.2塔背混凝土体型对变形的影响位移计算结果(见表2)为3个方向地震作用与静力作用的合位移,进水塔结构的位移总趋势基本以流道中心线呈对称分布.顺水流向位移(见图2)由于顺水流向地震激励的作用,塔顶向下游偏移,在模型3中,达到最大值12.92mm.其他模型中,位移值均超过12.50mm,各模型位移差别非常小.塔顶横水流向位移与顺水流向位移大小相当,在模型3中,达到最大值13.31mm,其他模型中,位移值均超过13mm.各模型塔顶竖向位移均在2.50mm左右.3个模型塔顶各向位移相差最大值为0.34mm,可见塔背混凝土体型改变对塔顶位移的影响很小,可忽略不计.2.3拉应力影响分析应力计算结果为3个方向地震作用与静力作用的合应力,由于考虑了3个方向地震的共同作用,且动水附加质量按照群塔塔体外形尺寸施加,塔体外形系数值均大于4.0(为单塔外形系数的3倍左右),所以塔背应力峰值很高,且拉应力影响范围较大(见图3、表3).塔背混凝土顺水流向拉应力最大,在模型1出现最大值10.64MPa.峰值出现在塔背回填混凝土与塔体接触的部位,该处为几何突变位置,属于应力集中区域,3个模型下拉应力影响范围基本相同.应力峰值在3个模型中依次递减,顺水流向拉应力模型3较模型1减少16%.横水流向拉应力模型3较模型1应力峰值减少21%.对于竖直向拉应力,其分布规律与顺水流向和横水流向拉应力相反,从模型1到模型3应力峰值略有增加,模型3较模型1应力峰值增加5%.底板混凝土各向应力分布规律基本一致,从模型1到模型3依次递减.3塔背回混混凝土的高度3.1塔背回填混凝土高度由塔体结构体型比较结果可知,应力峰值位于塔背与回填混凝土接触的位置,且衰减速度较快.因此塔背回填混凝土的高度对进水塔结构的影响值得探讨.本部分基于塔体结构体型优化中最优模型3,通过不断降低回填混凝土高度得到新的3种模型,分别对应模型3、模型4和模型5,3种模型塔背回填混凝土高度分别为36.0、26.0和16.8m.3.2塔背混凝土回填高度应力计算结果为3个方向地震作用与静力作用的合应力.各向应力变化规律明显,均为先减后增,各向应力峰值最大值均出现在模型3,峰值最小值均出现在模型4.详见表4、图4所示.塔背混凝土顺水流向拉应力在模型3出现最大值8.90MPa,峰值出现在塔背回填混凝土与塔体接触的部位.随着塔背回填混凝土高度的降低,其应力峰值显著减小,在模型4应力峰值为6.58MPa,幅值减小26%.竖向应力峰值模型4较模型3减小45%,横水流向应力峰值模型4较模型3减小13%.底板混凝土应力变化规律与塔背一致,顺水流向应力峰值模型4较模型3减小19%,竖向应力峰值模型4较模型3减小31%,横水流向应力峰值模型4较模型3减小11%.随着塔背回填混凝土高度的降低,塔背处的边界约束减弱,塔体刚度相应减小,在地震作用下应力集中现象会显著改善,但当回填高度继续降低时,应力峰值又开始增加,且应力的影响范围会波及进水塔流道,这显然对抗震设计不利.故塔背混凝土回填高度的变化对进水塔结构的抗震设计非常关键,回填高度太高不仅增加工程成本而且会增加塔体的约束,导致应力集中,回填高度太低应力峰值也会增加且对进水塔流道不利.4塔体结构体型的优化本文采用反应谱计算方法,研究减少塔背混凝土方量和降低塔背混凝土回填高度对进水塔结构在强震激励下结构性能的影响.由数值仿真计算结果可以得到如下结论:1)各种模型下,进水口结构的位移总趋势基本以流道中心线呈对称分布,且塔顶位移随模型的变化很小,可忽略不计.2)塔体结构体型的优化使模型3塔背顺水流向和横水流向正应力较模型1减少超过15%,且混凝土方量较模型1减少5000m3,竖向应力模型3较模型1略有增加.综合可见模型3较模型1、2是更优体型.3)塔背回填混凝土高度对进水塔塔背应力影响明显,模型4较模型3顺水流向正应力减少26%,竖向正应力减少45%,横水流向正应力减