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調壓塔結構靜動力的有限元分析

發表時間:2022-04-05 22:11 閱讀:
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      PosoI水電站位于印度尼西亞東部蘇拉維西島中央中蘇拉維西省Poso湖下游Poso河上,總裝機120MW。該電站利用Poso湖形成水庫,采用低閘引水式開發,閘址距離Poso湖出口約14km,正常蓄水位510.50m,最低運行水位506.00m。電站主要建筑物包括閘壩、右岸取水口、引水鋼管、調壓塔、壓力鋼管、地面廠房等。地面調壓塔下基礎為覆蓋層基礎,揭露的覆蓋層主要為含塊碎石的礫石土層,土體較密實,弱透水。壓力鋼管沿線布置有鉆孔,鉆孔資料顯示,地表以下50m范圍內無基巖。
      PosoI水電站場址地震基本烈度大于Ⅷ度,50年超越概率為 10%的基巖地震動峰值加速度為0.25g。PosoI水電站地面調壓塔結構抗震性能好壞危及引水發電系統運行期的安全和效益。鑒于調壓塔為高聳的薄壁結構、基礎為覆蓋層、區域地震烈度較高,只依靠簡單的結構假定及力學計算無法準確描述調壓塔結構在動、靜力工況下的應力變形情況。因此,本文采用有限元分析法對PosoI水電站地面式調壓塔結構進行三維靜動力分析研究,以評價調壓塔結構的安全性。
      根據工程實際,建立地面式調壓塔有限元模型,模型包括調壓筒鋼管結構、引水鋼管結構、阻抗孔、八面體基座、混凝土樁基礎以及地基,計算模型見圖1和圖2。地基采用SOLID45實體八節點六面體單元,混凝土基座結構較為復雜,網格劃分時采用SOLID65四面體單元,鋼結構采用SHELL63四邊形平面單元。整個模型的節點總數為55,165,單元總數為112,263。計算模型坐標系為笛卡爾坐標系,X向為順壓力鋼管方向,指向下游為正;Z向為豎直方向,向上為正;水平面為XY平面,符合右手螺旋定則。
      計算時施加的邊界條件為:地基四周施加法向約束,底部施加全約束;壓力鋼管只在水流向X向施加軸向約束,其余邊界均為自由邊界。計算假定混凝土底板與樁基之間共節點(土與樁變形協調);地基、混凝土及鋼材均為各向同性、均勻連續的彈性體。
      作用于主體結構的荷載主要有:結構自重、靜水壓力、水重、溫度荷載、風載和地震荷載。本文參照《水工建筑物荷載設計規范》(DL5077-1997)及《水工建筑物抗震設計規范》(DL5073-2000)中的相關標準分別對結構自重、水重、靜水壓力、溫度荷載、風載、地震作用效應產生的動水壓力進行了計算。本文主要介紹正常運行、暴風和地震三個工況的計算結果。
      溫度荷載取溫升荷載5℃。垂直作用于建筑物表面上的風荷載標準值。
 ;     對于地震荷載,按50年超越概率10%的地震基巖動峰值加速度0.25g進行設計。按照印尼標準,采用1.4的放大系數,因此設計輸入地震加速度為0.35g。地震激勵按順水流向(X向)、橫水流向(Y向)及豎直向(Z向)三個方向輸入,水平向地震加速度為0.35g,豎直向地震加速度取水平向的2/3即0.23g。地震作用效應的動力分析方法采用振型分解反應譜法,由于結構各階振型對應的頻率比較密集,因此各階振型的地震作用效應按完全二次型方根(CQC)法組合。所在場地類別為Ⅰ類,地震設計反應譜按《水工建筑物抗震設計規范》(DL5073-2000)確定,設計反應譜見圖3。結構自振特征周期Tg取0.20s,結構設計反應譜最大值的代表值maxβ取2.25,反應譜下限值的代表值minβ取最大值代表值的20%,阻尼比取0.05。地震動水壓力按附加質量考慮,將動水壓力折算為與單位地震加速度相應的結構面附加質量。


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