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第29卷第9期2011年9月水 电 能 源 科 学Water Reso urces and Pow er V ol.29N o.9Sep.2011文章编号:1000-7709(2011)09-0097-04汶川地震实测波作用下高耸进水塔结构损伤开裂分析张亚敬,张燎军,陈 立(河海大学水利水电学院,江苏南京210098)摘要:以某高耸进水塔为例,采用ADI NA 结构分析软件建立了结构-水体动力耦合的三维非线性有限元模型,利用汶川地震中某坝顶处所测得的地震波进行相应的修正处理,作为模型结构的地震动输入,研究了进水塔在正常蓄水位组合地震荷载工况下的地震反应,并分析了其抗震安全性。
结果表明,高耸进水塔在实测地震波作用下局部出现损伤开裂,但整体结构仍能确保抗震安全性。
关键词:进水塔;A DIN A ;损伤开裂;实测地震波;抗震分析中图分类号:T V 698 1+3文献标志码:A收稿日期:2011-03-22,修回日期:2011-05-16作者简介:张亚敬(1982-),女,硕士研究生,研究方向为水灾害与水安全,E -mail:kreace@163.co m 通讯作者:张燎军(1962-),男,教授、博导,研究方向为水工结构工程,E -mail:ljzhang @大坝进水塔为水利枢纽中一个重要的泄水建筑物,若遭到破坏将会导致库水位上升,进而危及整个水利枢纽的安全[1]。
因此,进水塔抗震安全对整个水利枢纽安全运行有重要的意义。
进水塔在强震作用下,需考虑动水压力对结构响应的影响,且混凝土作为一种准脆性材料,还可能出现压碎、开裂等非线性行为[2],因此利用实测的强震记录对水工建筑物进行抗震安全研究十分必要。
鉴此,本文以某大坝高耸进水塔为例,考虑结构 水体动力相互作用及塔体混凝土材料在地震激励下的非线性行为,建立了三维有限元动力仿真模型,研究了正常蓄水位工况下进水塔在修正实测地震波作用下的损伤开裂情况,并评价了其抗震安全性。
拉拉山水电站进水塔三维动力有限元分析进水塔结构复杂，在高地震烈度区表现为复杂的动力特性，塔体结构的稳定性直接关系到结构的安全性及设计的合理性。
文章采用三维动力有限元的方法，通过在人工边界上输入实测地震波来模拟地震作用，得到了进水塔结构动位移和动应力响应，并基于有限元计算结果进行了进水塔稳定性分析。
计算结果表明，拉拉山水电站进水塔在地震作用下是稳定的。
标签：进水塔；有限元；动力分析1 工程概况拉拉山水电站位于甘孜州巴塘县境内，电站为引水式开发，该电站位于巴楚河中游河段上，工程河段上起松多，下止措松龙，河段长23.5km，天然落差225m。
电站闸址位于松多乡松多村，正常蓄水位3004.00m，相应库容106万m3，电站装机容量96MW，具有日调节性能。
电站进水塔紧靠排污闸布置于左岸，进口分水角为64°51’59”。
进水口由喇叭口、拦污栅、进水闸组成，总长36.2m。
2 岩体及混凝土静、动力学参数3 进水塔抗震分析及评价3.1 计算方法及假定利用ANSYS有限元分析程序建立三维有限元模型，地震作用采用时程分析法。
本次分析计算中所利用的时间历程分析理论的基本假定有：（1）库水假定为不可压缩流体，因此库水对进水塔的动力作用即相当于附加质量。
（2）地基为均匀体，并人为地截取一条边界作为地震输入边界。
在计算中假定地震运动沿人工边界均匀输入。
（3）假定人工边界范围以内的地基是“无质量地基”，在形成整个系统的特征矩阵时，地基单元只考虑弹性，不考虑质量，以消除波的传播效应，避免人为的放大作用。
3.2 地震波的选取地震波是一个频带较宽的非平稳随机振动，受各种因素影响而变化，采用时程法对结构进行地震分析时，输入地震波不同，所得的地震反应相差较大，因此，合理选择地震波进行直接动力分析是保证计算可靠性的重要保证。
拉拉山水电站的场地类别属于III类，工程场地的地震基本烈度为Ⅷ度，进水塔未来50年超越概率为10%基岩地震动峰值加速度 1.85m/s2，特征周期为0.4s，进水塔抗震分析计算中选择场地实测波进行计算，本次计算考虑水平向地震波。
考虑粘弹性人工边界的高耸进水塔结构地震动态响应分析刘云贺;郑晓东;张小刚【摘要】边界条件的选取对结构的计算设计有着显著的影响.本文通过ANSYS有限元方法建立了三维进水塔模型,接着分别采用无质量固定边界和粘弹性人工边界模拟了高耸进水塔结构在地震作用下的位移、应力和接触的分布规律,最后对进水塔抗震安全性进行了计算分析.结果表明:与无质量固定边界相比,在粘弹性人工边界条件下,塔体顶部峰值位移减小了10％～30％,塔体峰值应力减小了15％～30％,塔体x正向最大张开值和y正向最大张开值均有所减小,塔体稳定安全系数时程最小值增大了20％.研究结果表明粘弹性人工边界在实际工程设计中具有一定的精确性和适用性.【期刊名称】《西安理工大学学报》【年(卷),期】2016(032)002【总页数】8页(P134-141)【关键词】高耸进水塔;粘弹性人工边界;动态响应分析;接触分析【作者】刘云贺;郑晓东;张小刚【作者单位】西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048;西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048;西安理工大学水利水电学院,陕西西安710048【正文语种】中文【中图分类】TV312进水塔是引水和泄水系统最前端的水工建筑物，是水利枢纽工程宣泄洪水的安全通道。
它的整体抗震稳定性关系到整个引水、泄水系统甚至大坝的安危[1]，因此，进水塔的整体稳定性和抗震性能成为结构设计的重点。
在地震激励作用下，进水塔-地基是一个受力整体，两者之间的运动和变形相互影响，其中边界条件的选取对进水塔-地基结构的设计影响比较大。
目前，国内外在对进水塔地震动力响应及抗震安全性的研究方面取得了一定的成果，赵海涛[2]等采用振型分解反应谱法研究了进水塔的地震动力响应，刘亚琴[3]等采用动力时程法对沙牌水电站进水塔进行了震损模拟，李宁[1]等采用时程分析和反应谱法对紫平铺进水塔进行了动态响应研究。
上述研究成果大多是以无质量固定边界为基础的，在研究过程中忽略了地基辐射阻尼效应，这会使地震波在边界断面上发生反射，影响结构-地基相互作用的应力场和位移场，从而最终影响结构-地基模拟结果的准确性和真实性。
联合进水塔抗震结构设计及基础处理杨德丽【摘要】根据联合进水塔所处区域地质条件及塔式结构的特点，在结构布置及地基处理时采取了有效可行的工程措施，提高了塔体结构的抗震安全性和基础承载能力。
经过8年的运行，进水塔结构稳定，应用效果很好，施工采用的抗震设计方法及地基处理措施得到了考证，可供类似工程设计参考。
% According to the geological conditions and structural features of joint intake tower,effective and feasible measures were adopted during structural layout and foundation treatment to improve the earthquake resistance of tower structure and bearing capacity of foundation. The intake tower is stable after 8 years of operation so its earth⁃quake-resistant design method and foundation treatment measures may be reference for similar projects.【期刊名称】《广西水利水电》【年(卷),期】2013(000)003【总页数】3页(P19-21)【关键词】进水塔;结构布置;抗震设计;地基处理;措施【作者】杨德丽【作者单位】新疆伊犁河流域开发建设管理局，乌鲁木齐 830000【正文语种】中文【中图分类】TV671恰甫海水利枢纽属大（I）型一等工程，由粘土心墙坝、右岸深孔排沙放空洞、中孔泄洪洞（由导流洞改建）、表孔溢洪洞、引水发电洞、厂房、开关站等建筑物组成。
联合进水口工程为1级建筑物，由深孔排沙放空洞进口明渠、1＃发电洞进口闸井、2＃发电洞进口闸井、1＃、2＃发电洞进口闸房、深孔排沙放空洞进口闸井及金属结构和启闭机等主要建筑物组成。
拉拉山水电站进水塔三维动力有限元分析1 工程概况2 岩体及混凝土静、动力学参数3 进水塔抗震分析及评价3.1 计算方法及假定3.2 地震波的选取地震波是一个频带较宽的非平稳随机振动，受各种因素影响而变化，采用时程法对结构进行地震分析时，输入地震波不同，所得的地震反应相差较大，因此，合理选择地震波进行直接动力分析是保证计算可靠性的重要保证。
3.3 计算模型3.4 计算结果及分析3.4.1 位移场分析3.4.2 应力场分析经比较，在t=11.87s时，进水塔结构动应力响应较大。
从代表点的整个时间历程上看，在t=11.87s时，进水塔动应力响应最大，此时整个结构以受压为主；各应力关键点中σ1最大值为1.15MPa，位于进水口胸墙处d点，出现时间为t=11.87s；σ3最小值为-1.54MPa，位于排架底部e点，出现时间为t=7.54s。
地震作用效应的计算结果表明，在塔体与排架结构结合部位、中间各层板梁结构、部分载面突变处会产生较高的应力集中，需要配筋处理，增强混凝土的抗拉性能。
3.4.3 基于有限元计算结果的进水塔稳定计算基于前面有限元动力的计算结果，对进水塔沿建基面的抗滑稳定进行计算分析。
在地震波的作用下，进水塔沿建基面的抗滑稳定安全系数为6.20～8.60，均大于规范规定的抗滑稳定安全系数1.05，满足规范要求，说明进水塔在地震工况作用下是安全稳定的。
3.5 进水塔抗震时程分析及评价进水塔顶部动位移最大，分布趋势从上而下逐渐减小，整体动位移不大，规律性合理；根据前面的有限元动力计算结果，进水塔动应力均小于混凝土强度设计值，基础竖向应力均小于基础承载力；采用基于有限元静力计算成果的刚体极限平衡法，将进水塔在实测波作用下，沿建基面的抗滑安全稳定系数大于规范允许安全系数，进水塔沿建基面安全稳定。
4 结束语文章采用三维有限元方法，对拉拉山水电站进水塔进行了三维动力分析，分析了其位移和应力响应，对分析了其抗滑稳定安全性。
强震作用下进水塔非线性时程分析曹伟【摘要】进水塔是水利枢纽输水系统的首部建筑物,是宣泄洪水的安全通道.通常在强地震作用下进水塔塔体响应强烈,局部混凝土进入塑性阶段,甚至产生破坏,针对此种情况,采用时程分析法,对某实际工程进水塔施加强地震作用,考虑塔体混凝土材料的非线性,对进水塔进行非线性时程分析.结果表明:进水塔在地震作用下,塔体响应随着地震作用的加强而加强,塔体腰部(塔体与塔背回填交界部位)混凝土最早进入塑性阶段,塑性破坏程度随着地震作用的推移与加强而加重,并从此部位向四周扩张,此部位为结构薄弱部位,这是因为结构自身特性与此部位为几何突变部位.研究成果对进水塔的设计与施工具有借鉴意义.【期刊名称】《广西水利水电》【年(卷),期】2018(000)002【总页数】6页(P64-68,82)【关键词】进水塔;非线性;动态响应;时程分析【作者】曹伟【作者单位】新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000【正文语种】中文【中图分类】TV31我国水能资源丰富，其绝大部分分布在西部地区，占到全国总量的80%以上，我国的高坝大库多建于此。
西部地区地震活动频繁、强度高、震源浅[1]，地处这一地区的高坝、大库常常面临很强的地震作用，地震荷载也常被作为水利枢纽的控制荷载。
进水塔通常为高耸薄壁的结构型式，在强地震作用下，响应强烈，塔体局部混凝土进入塑性阶段，弹性计算无法真实表达塔体此时实际响应状态。
因此，考虑塔体混凝土材料非线性的进水塔动态响应分析具有实际意义。
关于进水塔动态响应分析[2]主要有反应谱法与时程分析法[3]。
反应谱法概念明确，计算相对简单、方便，能够考虑结构动态的基本自身特性，但反应谱法只是弹性范围内的概念，不能很好地处理结构在地震作用中的非弹性行为[4]，而且反应谱法的计算结果是结构地震反应的最大值，不能表达结构在地震作用中随时间的具体变化情况。
时程分析法是直接通过动力方程求解地震反应[5]，从地震发生的起始时刻算起到地震终止，可得到结构各质点随时间变化的动力行为，可进行材料非线性以及接触非线性等非线性计算，其计算结果相对于反应谱法计算结果与实际更符合。
地震作用下进水塔弹塑性损伤分析曹伟【摘要】进水塔荷载作用复杂,特别是塔体在地震荷载作用下,塔体混凝土的强度、刚度会在往复作用进程中逐渐降低,所以把这些复杂、真实的因素考虑进去,对进水塔进行弹塑性损伤动态分析,并寻求其损伤破坏模式具有实际意义.根据能量等价原理并结合混凝土设计规范,建立进水塔混凝土弹塑性本构关系与损伤模型,结合实际进水塔工程,建立塔体-地基三维有限元模型.根据计算结果,分析塔体损伤破坏的进程模式.结果表明,塔体拉压损伤比压损伤严重,拉压损伤主要集中在塔体腰部且损伤程度较高,在地震作用进程中塔体损伤由无到有,破坏程度加重,破坏区域向四周扩张.分析结果对类似工程具有实际意义.【期刊名称】《水利科技与经济》【年(卷),期】2018(024)009【总页数】6页(P26-30,40)【关键词】进水塔;非线性;混凝土损伤;有限元法【作者】曹伟【作者单位】水利部新疆水利水电勘测设计研究院,乌鲁木齐 830000【正文语种】中文【中图分类】TU3130 引言进水塔作为水利枢纽中的组成部分，大多高耸孤立在水库中[1]，在地震作用下响应强烈。
若在地震中遭到破坏将会导致库水位上升，进而严重威胁整个水利枢纽的安全，其抗震问题严峻。
进水塔塔体混凝土作为一种非均质准脆性材料，它的破坏是由于其中的微裂缝在荷载作用下不断萌生和拓张，形成宏观裂缝并且不断发展，最终导致结构失效破坏。
宏观力学参数演化表征为随着微裂缝的发展，其强度和刚度逐渐降低，这一特性被称为混凝土损伤[2]。
图1为混凝土单轴往复拉压应力-应变图，由图1可以看出在往复动荷载作用下，混凝土的这一特性表现得尤为突出。
所以在对进水塔进行动力分析时，应该把混凝土损伤特性考虑进去，使其结果更加贴合实际、准确，有利于设计人员作出更准确的判断，作出更可靠的设计[3]。
其次考虑混凝土损伤后的进水塔损伤分析，可以更好呈现进水塔在地震进程中的损伤破坏过程[4]，有助于设计人员有针对性地重点做出设计[5]。
水电站进水塔结构抗震设计要点分析发表时间：2016-08-12T10:53:19.407Z 来源：《工程建设标准化》2016年6月总第211期作者：鲁舟洋[导读] 其在运行的过程中安全性可能会受到地震等自然灾害的威胁，所以在设计的过程中需要针对水电站进水塔结构进行抗震设计。
鲁舟洋（中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司，陕西，西安，710065）【摘要】水电站进水塔结构的安全性和可靠性直接关系到水电站的生产安全性和整体效益，所以一直受到高度关注，本文在对水电站进水塔结构进行系统分析的基础上，结合实际案例，对水电站进水塔结构抗震设计要点展开分析，为提升水电站运行的稳定性和持续性做出努力。
【关键词】水电站；进水塔结构；抗震设计要点前言：水电站的进水塔通常设置在水位变化幅度较大的天然河道、人工水库、胡波、调节池等水体的供水或泄水系统的首部，其在运行的过程中安全性可能会受到地震等自然灾害的威胁，所以在设计的过程中需要针对水电站进水塔结构进行抗震设计。
一、水电站进水塔结构分析受不同水电站进水塔的工程地质、作业环境、地形条件等方面存在差异影响，目前水电站进水塔要分为纯塔和斜塔两种形式，前者主要应用于山岩不理想且岸坡较缓的施工条件，而后者主要利用斜靠岸坡提升自身结构的稳定性，在应用的过程中启闭机室和山岩间不需要架桥连接，而且闸门槽和喇叭口等结构需要设置在山岩以外，但两者在结构上通常均为钢筋混凝土薄壁空腹塔式结构，需要利用工作桥将结构顶部和河岸相连，此种结构在应用过程中水压力会对其四周同时产生作用[1]。
目前我国在对水电站进水塔进行结构设计前，需要先对其进行结构布置，以一字型和独立型结构布置为主，例如我国黄河小浪底塔形为一字型布置，其在动力稳定性、垂直刚度和动力校核等方面都具有明显的优势；泸定水电站采用独立型布局，其主要应用于单洞流量较大的泄洪洞进口，其在顺流刚度、塔体高度与塔体厚度的比值均较大，对结构抗折设计的要求较高。
