地震動(dòng)水附加質(zhì)量的方法研究范文

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《西北水電雜志》2015年第二期

1計(jì)算分析過(guò)程

1.1計(jì)算模型采用ANSYS建立三維有限元模型，混凝土和地基采用SOLID45單元來(lái)模擬，地震時(shí)塔內(nèi)外水體產(chǎn)生的動(dòng)水壓力以附加質(zhì)量的形式用質(zhì)量單元Mass21進(jìn)行模擬。模型在地基深度方向、上下游側(cè)及左右側(cè)均取2.0倍建筑物高度（100m）的無(wú)質(zhì)量地基，以反映地基剛度對(duì)塔體動(dòng)力特性的影響。基礎(chǔ)前后、左右邊界分別按法向鏈桿約束，基礎(chǔ)底部邊界采用全約束，以模擬截?cái)噙吔绲挠绊?。圖3-1為進(jìn)水塔縱剖面圖，圖3-2為塔體三維有限元模型。計(jì)算直角坐標(biāo)系為：豎直向上為x軸正向，順?biāo)飨驗(yàn)閥軸正向，垂直水流向指向左岸為z軸正向。

1.2材料參數(shù)進(jìn)水塔塔體材料為C25混凝土，塔后回填混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C15，塔體基礎(chǔ)在弱風(fēng)化巖體內(nèi)，為Ⅲ類巖體。

1.3計(jì)算荷載計(jì)算荷載包括自重、靜水壓力、動(dòng)水壓力、揚(yáng)壓力、地震力，正常蓄水位1775.0m。本工程為一等大（1）型工程，進(jìn)水塔為1級(jí)建筑物，抗震設(shè)防類別為乙類，地震設(shè)防烈度為Ⅶ度。根據(jù)地震安評(píng)成果50年超越概率5%相應(yīng)的基巖動(dòng)峰值加速度為195.2gal。采用規(guī)范推薦的地震加速度反應(yīng)譜進(jìn)行動(dòng)力計(jì)算，反應(yīng)譜放大系數(shù)2.4，場(chǎng)地特征周期0.55，同時(shí)計(jì)入水平向和豎向地震作用，豎向峰值加速度為水平向峰值加速度的2/3。水平地震動(dòng)總反應(yīng)幅采用兩個(gè)主軸方向地震作用效應(yīng)的平方和方根，再與乘以0.5遇合系數(shù)的豎向地震效應(yīng)相加，在與靜力疊加時(shí)地震作用效應(yīng)折減系數(shù)取0.35。

1.4計(jì)算工況對(duì)進(jìn)水塔進(jìn)行地震工況計(jì)算，荷載為：自重+靜水壓力+揚(yáng)壓力±地震。其中地震作用包括地震慣性力和地震動(dòng)水壓力，出于比較目的在其他條件均相同的情況下，將地震動(dòng)水壓力按以下兩種方案進(jìn)行對(duì)比分析：方案一：考慮附加質(zhì)量方向性。計(jì)算某一方向地震作用時(shí)僅在塔體垂直該方向的面上施加動(dòng)水附加質(zhì)量，即MASS21單元該方向?qū)嵆?shù)為相應(yīng)附加質(zhì)量，其余方向?qū)嵆?shù)為零。方案二：不考慮附加質(zhì)量方向性。計(jì)算某一方向地震作用時(shí)在塔體X、Y、Z方向上均施加動(dòng)水附加質(zhì)量，即MASS21單元X、Y、Z方向?qū)嵆?shù)分別為相應(yīng)附加質(zhì)量。

2有限元計(jì)算結(jié)果分析

各方案計(jì)算結(jié)果比較如表4-1~表4-3所示。從計(jì)算結(jié)果可以看出：（1）施加動(dòng)水附加質(zhì)量后塔體自振頻率都會(huì)顯著降低，如考慮附加質(zhì)量的方向性，基頻降幅約為30%，如不考慮附加質(zhì)量的方向性，基頻降幅最大約為50%。（2）考慮附加質(zhì)量的方向性與否對(duì)自振頻率影響很大，但是對(duì)位移和應(yīng)力幅值影響較小，這是由于：一方面，從表4-1可以發(fā)現(xiàn)，盡管自振頻率不同，但是反應(yīng)譜值相差較小，而且第一階譜值均相同；另一方面，在不考慮附加質(zhì)量的方向時(shí)，雖然在三個(gè)方向都有質(zhì)量元的分量，但是當(dāng)計(jì)算某一方向的地震作用效應(yīng)時(shí)其他兩個(gè)方向上的質(zhì)量元分量對(duì)其影響很小；第三，計(jì)算中按照規(guī)范規(guī)定對(duì)地震作用效應(yīng)進(jìn)行折減后，地震作用效應(yīng)占總效應(yīng)的比例較小。

3結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)進(jìn)水塔三維有限元?jiǎng)恿τ?jì)算分析可知，考慮附加質(zhì)量的方向性與否對(duì)塔體自振頻率影響很大，但是對(duì)位移和應(yīng)力幅值影響相對(duì)較小，同時(shí)參照相關(guān)參考文獻(xiàn)以及目前一些高校和科研單位的通用方法，在進(jìn)水塔動(dòng)水壓力計(jì)算中考慮附加質(zhì)量方向性，即計(jì)算某一方向地震作用時(shí)僅在塔體垂直該方向的面上施加動(dòng)水附加質(zhì)量，并且附加質(zhì)量的指引方向要與地震方向相一致。

作者：李鋒閆喜王茜單位：中國(guó)水電顧問(wèn)集團(tuán)西北勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司