单位文秘网 2022-02-15 08:11:08 点击: 次
【摘要】随着现代抗震设计的要求越来越高,机架桥的抗震安全将直接影响到水闸的控制运用,传统拟静力计算方法已无法满足抗震计算的精度要求。基于上述考虑,提出了使用MIDAS Civil进行机架桥抗震计算与分析的新方法,以典型结构型式的机架桥建立三维模型,合理设置边界约束与荷载条件,基于软件库中的规范地震动参数对机架桥进行动力分析,获得机架桥在静力荷载与抗震工况下的内力表现,为水闸的结构设计提供科学的依据。
【关键词】机架桥;Midas Civil;抗震分析;反应谱
1、引言
水闸是一种低水头水工建筑物,主要修建在大小河流的河道或输水渠道上,利用闸门的开启与闭合控制水流流量和调节水位。水闸闸门关闭时可以拦洪、挡潮或抬高上游水位,以满足灌溉、发电、航运、水产、工业与生活用水等需要,闸门开启时可以宣泄洪水、涝水、同时也可对下游河道或渠道供水,应用十分广泛。
机架桥是水闸的重要组成部分之一,传统结构计算方法是将机架桥的框架梁与框架柱简化为顺水流方向和垂水流方向的简单结构,进而采用数值法或半解析法进行计算,没有充分考虑到结构的空间效应,同时,规范中严格要求对VIII度区水闸结构设计方法采用动力法,传统的简化结构静力计算方法较为繁琐,计算精度亦无法保证。基于上述考虑,提出了使用MIDAS Civil进行机架桥抗震计算与分析的新方法,以典型结构型式的机架桥建立三维模型,合理设置边界约束与荷载条件,基于软件库中的规范地震动参数对机架桥进行动力分析,获得机架桥在静力荷载与抗震工况下的内力表现,为水闸的结构设计提供科学的依据。
2、三维建模
Midas Civil软件是由韩国浦项制铁POSCO集团于1989年开发,该软件属于有限元分析与计算机辅助设计的范畴,基于有限元分析技术的基础研究与发展,通过将其与土木结构的专业性问题有机结合,只需建立起完整的结构三维模型并按照实际工况施加边界荷载与各种约束条件,计算机便可自动完成各种工况下的内力计算与分析。目前,Midas Civil已经完全中文化,其内嵌了国内最新的水工设计规范,不仅能够对典型结构进行静力分析,对于地震等特殊工况下的动力、稳定分析同样专注。由于其强大的功能,Midas Civil目前在世界范围内的应用越来越广泛,已被各大公路、铁路以及水利等行业广泛采用。
机架桥为典型的框架类结构,主要是由框架梁和框架柱组成,本次分析采用引黄水闸上的机架桥,其结构型式为整体式混凝土梁肋结构,下端固结于闸墩之上,墩顶高程42.3m,机架桥梁顶高程49.3m,框架柱受力钢筋深入框架梁截面内,可认为横梁与立柱组成刚架结构,机架桥梁截面尺寸为450×1000mm,长10m,顺水流方向次梁截面尺寸400×800mm,长4m,框架柱截面尺寸450×450,高6m,下撑梁截面尺寸300×600mm,长3m,面板厚20mm,传统平面建模模型,由于机架桥细部结构较多,主梁截面边缘斜角与梁柱结合处的抹角较多,为节约计算时间,三维建模过程中采取了一定的简化与假设,去除不必要的结构件,认为机架桥梁柱等构件采用完全刚性连接的假设,即梁柱连接处共用节点。基于上述假设,所建立的机架桥Midas Civil三维模型如图1所示,机架桥混凝土强度等级采用《水工混凝土结构设计规范》中的C25。
3、工况分析
处于强地震区的水闸,因强震造成的损坏较为严重,水闸在设计时应根据功能、等级和设防级别进行必要的抗震计算。目前,我国和世界上多数国家的结构抗震设计规范中,在确定结构的地震作用时均建议采用反应谱法,特别是地震设计烈度为VII度或地基为可液化的1、2级水闸,在分析时更需要采用动力法而非拟静力法。所谓的“反应谱”就是单自由度弹性体系在给定的地震作用下,某个最大反应量与体系自振周期的关系曲线。本次分析采用抗震规范给出的经验设计反应谱,其不仅考虑了建筑场地类别的影响,也考虑了震级、震中距及阻尼比的影响,反应谱分析函数的定义如图2所示。
考虑到地震作用下,主梁以平动为主,因此将主梁用单梁模型模拟,将盖梁、系梁等用空间梁单元模拟,按支座实际位置与性能模拟边界条件。由于基础刚度较大,计算模型中可将闸墩连接假设为固结处理,对机架桥框架柱底部全部自由度进行约束。根据《水闸设计规范》,结构分析荷载组合考虑基本组合和特殊组合两种,具体工况为正常运用和地震工況下的实际参数,基本组合工况可获得机架桥各构件的静力分析结果,而特殊组合则能够获得各构件在地震作用下的内力表现,通过两者的叠加便可获得最终的结果。作用在机架桥上的主要荷载主要包括自重、水压力、风荷载、浪压力以及地震荷载等。根据《水工建筑物荷载设计规范》的规定,对机架桥进行强度计算时,竖向荷载乘以动力系数1.05,水平荷载作用分项系数采用1.1。
4、仿真结果
正常运用工况下,依据所建立的三维模型,可获得机架桥各构件的内力结果。由于水头较高,水压力与浪压力对机架桥结构强度的影响较为明显,主梁弯矩164.58,剪力为162.47kN。次梁模型与主梁类似,均为简支结构,次梁的弯矩与剪力表现及其变化规律与主梁基本一致,弯矩为73.29。对于立柱而言,其下端与基础固结,各个方向的自由度均被约束,同时,由于下撑梁的存在,使得立柱的弯矩与剪力均较小而轴力较大,弯矩为54.81,轴力239.57kN,剪力32.36kN。
正常运用工况下的机架桥弯矩与剪力分布如图3与图4所示,由于启闭机布置位置的影响,主梁与次梁交界处弯矩最大,X与Y方向均为对称形式,取X与Y方向的投影图即可与简化平面方法的结果进行对比,从而验证了Midas Civil仿真分析结果的有效性。
垂直水流方向组合地震,机架桥弯矩与剪力分布如图5和图6所示。由于主梁方向与地震方向平行,地震作用对主梁影响较小,而对立柱影响最大。由于地震作用,主梁弯矩206.78,比正常运用工况增加了42.2,剪力为164.17kN,由于主梁位置的作用,受地震影响较小,剪力仅增加了1.7kN。
次梁的弯矩与剪力表现与主梁不同,因次梁垂直于地震方向,地震作用对其剪力影响较大而对其弯矩影响较小。地震作用对立柱的影响最大,立柱弯矩110.31,比正常运用工况增加了55.5,轴力239.67kN,基本无变化,剪力为57.66kN,增加了25.3kN。
5、结论
与简化平面计算方法相比,通过对机架桥进行整体建模并仿真分析可以很方便的获得各构件的内力表现,计算精度较高。Midas Civil适用于分析框架类的水工建筑物,特别是地震设计烈度为VII度或地基为可液化的1、2级水闸,能够采用动力分析法直接获得构件弯矩、剪力以及轴力,为后续水闸结构设计提供了科学依据。
参考文献:
[1] 任德林.水工建筑物[M], 河海大学出版社, 1990.
[2] 胡兆球. 水闸结构设计现代计算方法及其应用研究[D]. 江苏: 河海大学, 2003.
[3] SL191-2008, 水工混凝土结构设计规范[S].
[4] SL265-2016, 水闸设计规范[S].
[5] SL744-2016, 水工建筑物荷载设计规范[S].
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