1、第 卷第 期 年 月水 力 发 电 .弹性模量取值对渡槽结构抗震安全复核影响的探讨吕小彬 李秀琳 肖 俊(中国水利水电科学研究院材料研究所 北京 水利部水工程材料重点实验室(筹)北京 北京中水科海利工程技术有限公司 北京)摘 要:通过对某渡槽进行现场动力测试获得结构在自然脉动下的振动特性 结合三维有限元模态反分析 获得其排架混凝土的动弹性模量状况 根据现场质量检测的结果 对排架混凝土动弹性模量的取值及基础约束条件做出最合理的判断 抗震分析表明 排架混凝土动弹性模量的取值会对该渡槽结构的抗倾覆稳定造成比较大的影响 因此 建议在渡槽抗震复核中应着重考虑混凝土的动弹性模量 利用振型分解反应谱法分析时
2、能够对地震作用效应进行更充分的估算 提高结构抗震安全评估的可靠性关键词:渡槽 抗震分析 动弹性模量 模态分析 抗震安全复核 .中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:基金项目:广西重点研发计划项目()湖南省水利科技项目()作者简介:吕小彬()男 河北邢台人 正高级工程师一级注册结构工程师 博士 主要从事水工建筑物无损检测与评估工作 李秀琳(通信作者).0引言混凝土主要有 种弹性模量 分别是割线弹性模量、切线弹性模量 和初始切线弹性模量 如图 所示 割线弹性模量是结构静力分析中最常用的静态抗压弹性模量 切线弹性模量常用于有限元增量分析 初始切线弹性模量反映混凝土在极小变形下的力学性能动弹
3、性模量 是混凝土在振动荷载作用下表现出的弹性模量 认为在振动条件下应变很小时 混凝土呈现弹性特征 动弹性模量近似等于静态初始切线模量 等认为在分析混凝土结构承受地震和冲击荷载作用时 应采用混凝土的动水 力 发 电 年 月 .图 混凝土受压时典型应力随应变变化曲线弹性模量 动弹性模量近似等于混凝土受压应力应变曲线上的初始切线模量 而且混凝土动弹性模量与静弹性模量的比值一般大于 对于高强、中强和低强混凝土 该比值大概分别为 、和 强度越高该比值越小 水工建筑物抗震设计标准中规定 对于水工大体积混凝土 动弹性模量可较其静弹性模量提高 朱伯芳建议在进行混凝土坝抗震分析时 动弹性模量取 倍静弹性模量 但
4、是 对于渡槽这样的非大体积混凝土结构却没有明确的说明 目前大多数渡槽结构抗震研究都是直接采用混凝土静弹性模量 只有个别研究者采用了动弹性模量 动弹性模量取 倍静弹性模量本文以西北某灌区一座过坝混凝土渡槽为例阐述利用现场动力测试评价排架结构混凝土动弹性模量的方法 并对渡槽结构进行抗震安全复核 分析动弹性模量对结构抗震安全评估产生的影响1渡槽建模西北某灌区渡槽共 跨 单跨长 其中 号支撑为 高排架 其下为坐落在坝体(刚度大 视为基础)上的混凝土支墩 采用 建立渡槽整体结构三维模型 如图 所示 排架、槽壳顶部的横向拉梁及纵向肋梁均采用 单元 槽壳和支墩采用 单元 在两个相邻槽壳之间模拟伸缩缝 伸缩缝
5、宽 由于采用了 单元模型中排架所有杆件的连接节点均按照 高层建筑混凝土结构技术规程第 条的规定考虑了刚域的影响范围渡槽排架为预制 直接放入支墩顶部预留的深约 的杯口插槽里 四周 的空隙采用 号细石混凝土回填 如图 所示 硬化细石混凝土填充槽内缝隙 在理想状态下貌似能形成一个固定支座 但实际上由于嵌缝材料后期收缩 而且频繁受到排架在横向风荷载作用下的扰动 很难实现紧密固结 因此更接近以柱低端为支撑的横槽向铰1 号2 号3 号4 号5 号6 号7 号8 号9 号1 0 号1 1 号1 2 号1 3 号1 4 号1 5 号1 6 号传感器（横槽向）图 西北地区某渡槽过坝段模型示意图 排架柱底部与支墩
6、(基座)的杯口插入式连接(单位:)支座在场地自然风的作用下 利用动力测试来检测渡槽结构在自然脉动下横槽向的自振频率 现场检测时在 号、号、号、号排架(分 两次测试)支撑的槽壳正上方顶部节点处沿横槽向布置 型低频速度传感器 见图 型传感器在小速度档位最大量程为 /非常适合桁架结构在自然脉动状态下的动力响应检测 现场检测参数为采样频率 快速 变换点数 计算频谱图分辨率 分段重叠/信号加汉宁窗 总采样时长 数据分析的平均次数为 次在上述传感器布置和检测参数条件下 该渡槽结构动力测试获得的频谱见图 由图 可知 号、号、号、号排架的频谱图都出现了 个明显的振动频率 即 、和 表明这 个排架作为整体结构的
7、一部分是在一起振动的 其中以 的振动最为卓越 的振动幅度最小 在 时 号排架的振动幅度大于 号排架 号排架的振动幅度大于 号排架 但在 时正好相反在场地自然风作用下 排架等构件的变形非常小 符合图 所示的起始切线弹性模量的条件 而且渡槽结构产生振动 因此与动力测试所得结构自振频率相关的应该是混凝土的动弹性模量第 卷第 期吕小彬等:弹性模量取值对渡槽结构抗震安全复核影响的探讨 .图 排架柱动力测试频谱2模态分析对图 中的过坝段渡槽结构进行有限元模型进行模态分析 通过与图 现场动力测试结果的对比来判断排架结构混凝土动弹性模量的整体分布 在 模型中 定义质量源 来自结构自重(渡槽处在停水状态)当排架
8、混凝土的平均动弹性模量取 (槽壳根据弹性波检测平均动弹性模量取 )渡槽模型前 阶模态中横槽向振型质量参与系数超过 的主要模态的振动特性见表 振型见图 由表 可知 渡槽模型横槽向主振模态(号)振型质量参与系数为 其振动频率 与现场动力测试所得频谱图的最卓越频率 基本相同 且相应实测振动幅值与其他 个模态(号和 号)相比明显要大 这与模态分析中该模态振型质量参与系数远高于其他两个模态的情况相符 其他 个振型质量参与系数超过 的模态(号和 号)与现场动测试频谱图上相应频率的误差也在以内表 渡槽模型横槽向主要模态特性排架底部铰支模态周期/频率/振型质量参与系数/实测频率/与实测差值/号 号 号 根据现
9、场动力测试与渡槽有限元模型模态反分析结果的对比可以发现 当在模型中输入排架混凝土动弹性模量 时 渡槽结构模型的动力响应与现场动力测试结果具有比较好的相关性 需要指出的是 在上述有限元模态分析中对所有排架混凝土输入一个平均动弹性模量 反映的是渡槽排架作为一个整体的平均结构特性图 渡槽整体结构横槽向模态如果在三维模型中将图 所示的插入式连接模拟为固定支座(假定柱底为勘固端)则需要输入排架混凝土平均动弹性模量 才能使模型横向振动特性与图 所示的实测频谱图接近 见表 个模态的振型与图 基本相同上述 种排架柱底部的勘固方式哪一种更接近结构的实际情况可以通过计算排架混凝土的弹性波波速来判断 即()()()
10、()水 力 发 电 年 月 .表 渡槽结构横槽向主振模态特性排架底部固接模态周期/频率/振型质量参与系数/实测频率/与实测差值/号 号 号 式中 为 波在三维空间中的波速/为混凝土动弹性模量 为混凝土密度 根据施工资料取 /为动泊松比 取 弹性波速度可以用来定性评价混凝土质量 目前工程界普遍采用的是表 所示的参考标准表 波波速定性评价混凝土质量参考标准/波速度混凝土质量 优良 较好 一般(可能存在缺陷)差 很差利用式()计算排架底部为横槽向铰支和固定支座情况下排架混凝土 分别为 /和 /根据表 中 波速度评价混凝土质量一般标准 并结合现场排架混凝土的外观缺陷和超声波波速检测结果 显然 /更符合
11、排架混凝土的质量现状3渡槽抗震复核分析在本案例中 渡槽结构抗震复核一项重要的内容是检查在地震作用组合下排架底部是否出现拉力因为图 中的杯口插入式连接不具备抗拉强度 此处一旦出现较大拉力将可能造成结构倾覆 通过振型分解反应谱法进行渡槽整体模型的抗震计算 该渡槽为 级渡槽 抗震设防类别为丙类 设计地震取 超越概率为 该渡槽所在乡镇抗震设防烈度为 度 设计地震基本加速值为 第三组 场地类别为 类 地震反应谱见图 图中 场地特征周期 规定按动力法计算地震效应时需考虑 效应折减系数抗震计算按 的要求 需要同时考虑 个方向的地震作用 采用 个方向地震效应的(平方和平方根)组合 设计地震分组为第三组 属于远
12、震 竖向设计加速度可取水平向的/以对渡槽结构抗倾覆最不利的空槽情形为例来进行比较说明 根据 水工混凝土结构图 渡槽抗震分析设计反应谱设计规范的规定 考虑到结构自重对于排架基础连接的稳定有利 因此地震作用组合下其荷载效应设计值 为 ()式中 为渡槽自重标准值产生的荷载效应 为 法计算的地震荷载效应在振型分解反应谱法分析时考虑 个振型模型上部结构(不包括刚度很大的支墩)个方向的振型质量参与系数基本能满足不小于 的条件在式()描述的地震作用组合下 渡槽中央抗倾覆最不利的 号 号排架柱在 种不同支座情况下的轴向力设计值包络线如图 所示b 底部横槽向固接图 地震作用下 号排架柱轴向压力设计值包络线(单位
13、:)第 卷第 期吕小彬等:弹性模量取值对渡槽结构抗震安全复核影响的探讨 .由图 可知 当排架底部模拟为横槽向铰支时(注:顺槽向仍模拟为固定支座 否则会引起结构失稳 分析表明顺槽向支座型式对轴向力的贡献很小)号排架柱底部都出现了拉力 其中 号排架柱达到 虽然数值不大 但由于插入式连接理论上不具备抗拉强度 也会造成排架的倾覆失稳 而当排架底部模拟为横槽向固定支座时 渡槽所有排架柱(包括 号)底部都未出现拉力 在此工况下排架是稳定的 由此可见上述 种不同的排架与下部支墩连接的模拟方式将会对渡槽结构的抗震安全复核造成非常显著的影响即使排架底部模拟为横槽向铰支座 但如果排架混凝土只取静弹性模量(如本例排
14、架混凝土设计标号为 取 )在式()描述的地震作用组合下 渡槽所有排架柱底部也不会出现拉力见图 这可能会对渡槽结构的抗倾覆稳定做出不安全的评估图 地震作用下 号排架柱轴向压力设计值包络线(单位:)4结论本文对西北某灌区渡槽排架进行现场动力测试 得到渡槽结构在自然脉动下的振动特性 结合三维有限元模型的模态反分析 获得在不同基础约束条件下排架混凝土的动弹性模量状况 根据动弹性模量在数值上大于静弹性模量的特性以及由其推算出的混凝土弹性波速度 结合现场质量检测的结果 可以对排架混凝土动弹性模量的取值做出最合理的判断 从而确定在有限元模型中这种杯口插入式连接最接近实际工作状况的模拟方式在本文案例中 排架混
15、凝土动弹性模量的取值会使渡槽结构在地震作用下抗倾覆稳定计算出现不同的结果 对结构抗震安全评估造成比较大的影响笔者认为在渡槽抗震安全评估中应着重考虑混凝土的动弹性模量 与采用静弹性模量的情况相比渡槽结构整体刚度增大 利用振型分解反应谱法分析时可使结构尽可能多的前几阶主要振型的频率处在设计反应谱曲线上动力系数最大值的平台段内或附近对地震作用效应进行更充分的估算 从而提高渡槽结构抗震分析的可靠性参考文献:.中华人民共和国住房和城乡建设部 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.水工建筑物抗震设计标准:.北京:中国计划出版社.朱伯芳.论混凝土坝抗震设计与计算中混凝土动态弹性模量的合理取值.水利水电技术
16、 ():.刘云贺 胡宝柱 闫建文 等.模型在渡槽抗震计算中的适用性.水利学报 ():.何建涛 刘云贺 孙蓉莉.附加质量模型在渡槽抗震计算中的适用性研究.西安理工大学学报 ():.王贺 李志国 杨芳.南水北调中线工程泜河渡槽抗震计算方法比较研究.中国水运(学术版)():.李彦军 王云 王超.大型渡槽的模态分析与研究.水科学与工程技术():.袁海军 张静娜 任益楼 等.大型多槽式矩形渡槽动力特性及地震响应分析.水电能源科学 ():.胡少伟 游日.南水北调大型渡槽结构抗震安全性研究.防灾减灾工程学报 ():.张社荣 冯奕 王高辉.强震作用下大型排架式 型渡槽的损伤破坏分析.四川大学学报(工程科学版)():.董荭 魏克伦 宋春草.大型预应力梁式渡槽动力特性分析.华北水利水电大学学报(自然科学版)():.申玲玲 辛全才.拱轴线形式对上承式肋拱渡槽抗震性能的影响.水力发电 ():.杨若男.地震作用下阿斗村渡槽的仿真分析.科学技术创新():.刘云贺 张伯艳 陈厚群.南水北调中线穿黄渡槽工程抗震分析.水利水电技术():.中华人民共和国住房和城乡建设部.高层建筑混凝土结构技术规程:.北京:中国建筑工业出版社.():.中华人民共和国水利部.水工混凝土结构设计规范:.北京:中国水利水电出版社.(责任编辑 王 琪)
