表 １ 地震设计动参数 Ｔ ａ ｂ． １ Ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｏ ｆ ｓ ｅ ｉ ｓ ｍ ｉ ｃ ｄ ｅ ｓ ｉ ｎ ａ ｒ ａ ｍ ｅ ｔ ｅ ｒ ｙ ｇ ｐ
建筑物 引水发电 洞进口 工程抗震 地震 设防类别 烈度 乙类 Ⅷ 概率水准 ／ ／ ａ ｓβ ｇ Ｔｇ ｈ ｍ ａ ｘ
１， ２］ 。整体模型结构网 部边界采用法 向 位 移 约 束 ［
顺水流向 、 横水流向和竖向 ３ 个方向的地震作用 ，
［ ５］ 反应谱根据 《 水工建筑物抗震设计规范 》 中的规
定选取 ， 具 体 参 数 见 表 １。 时 间 历 程 法 计 算 总 时 ， 。 间为 ４ 积分时间步长为 ０． ０． ８ ６ｓ ０ ２ｓ
图 ３ 两种工况下总位移沿高程分布情况 Ｆ ｉ ３ Ｄ ｉ ｓ ｔ ｒ ｉ ｂ ｕ ｔ ｉ ｏ ｎ ｏ ｆ ｔ ｏ ｔ ａ ｌ ｄ ｉ ｓ ｌ ａ ｃ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ａ ｌ ｏ ｎ ｇ． ｐ ｇ ｗ ｉ ｔ ｈ ｅ ｌ ｅ ｖ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｕ ｎ ｄ ｅ ｒ ｔ ｗ ｏ ｗ ｏ ｒ ｋ ｉ ｎ ｃ ｏ ｎ ｄ ｉ ｔ ｉ ｏ ｎ ｓ ｇ 表 ２ 进水塔静动组合应力表 Ｔ ａ ｂ． ２ Ｓ ｔ ｒ ｅ ｓ ｓ ｓ ｈ ｅ ｅ ｔ ｏ ｆ ｓ ｔ ａ ｔ ｉ ｃ ａ ｎ ｄ ｄ ｎ ａ ｍ ｉ ｃ ｓ ｉ ｔ ｕ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｙ
第 ２ ９卷 第１ １期 ２ ０ １ １年１ １月 （ ） 文章编号 ： １ ０ ０ ０ ７ ７ ０ ９ ２ ０ １ １ １ １ ０ ０ ９ ４ ０ ３ － － －
水 电 能 源 科 学 Ｗ ａ ｔ ｅ ｒ Ｒ ｅ ｓ ｏ ｕ ｒ ｃ ｅ ｓ ａ ｎ ｄ Ｐ ｏ ｗ ｅ ｒ
第２ ９ 卷第 １ １期
程汉昆等 ： 岸塔式进水塔结构的抗震与稳定性分析
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（ ） 进水 塔 抗 滑 稳 定 性 计 算 。 进 水 塔 整 体 抗 ２ ［ ６］ 滑稳定性计算按 《 水电站进水口设计规范 》 中抗 剪断强度公式计算 ： ｃ ′ １ ｆ ′ Ｒ ｋ Ｒ ｋ ） ２ ＡＲ （ γ ０ ψ∑ ＰＲ ≤ γ ∑ Ｗ Ｒ ＋ γｃ ｄ γ ｆ ′ ′ 式中 ， 对结构安全级别为 γ ０ 为结构 重 要 性 系 数 ，
∑Ｗ
Ｒ
， 向作用之和 （ 设计值） 向 下 为 正； ＡＲ 为 基 础 底 部 计算面的截面面积 。
３ 计算结果与分析
３． １ 自振特性分析 由于边墩与中 墩 上 部 由 胸 墙 相 互 连 接 ， 各楼 板和楼顶也有相 应 的 梁 连 接 ， 同时由于塔体结构 的平面尺寸较大 ， 断面内的混凝土实体部分面积 使得塔体刚度相对较大 ， 因此塔体固有的 也较大 ， 第一 、 二阶自振 频 率 分 别 为 ４． 频率较高 ， ５ ６、 ４． ５ ７ ， 。 前两阶振 对应的基本自振 周 期 均 为 ０． Ｈ ｚ ２ ２ｓ 。 型主要为启闭机室的顺河向振型， 其振型图见图２

自 重、 静 水 压 力、 扬
压力 、 浪压力 、 风荷载 。 动力计算主要考虑结构地 震惯性力和塔体内外动水压力对进水口结构整体 动力响应的作用 ， 其中塔体内外地震动水压力以
４］ 附加质量 ［ 的形式来考虑 。 动力计算考虑结构在
， 收稿日期 ： 修回日期 ： ２ ０ １ １ ０ ４ ２ ６ ２ ０ １ １ ０ ６ ０ ７ － － － － ， ： 作者简介 ：程汉昆 （ 男， 硕士研究生 ， 研究方向为水电站建筑物结构抗震与稳定性分析 ， １ ９ ８ ５ Ｅ ａ ｉ ｌ ｃ ｈ ｋ ｔ ｕ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ －） －ｍ ＠ ｊ
图 ２ 前二阶振型图 Ｆ ｉ ２ Ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｔ ｗ ｏ ｏ ｒ ｄ ｅ ｒ ｖ ｉ ｂ ｒ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ｍ ｏ ｄ ｅ ｄ ｉ ａ ｒ ａ ｍ － ｇ． ｇ
３． ３ 静动组合的抗滑稳定性分析 利用动力时程 分 析 法 ， 选取沿进水塔建基面 可能滑动面进行 抗 滑 稳 定 性 分 析 ， 将地震动作用 效果考虑为最不 利 的 拉 应 力 ， 与静力工况计算结 果进行组合 。 图 ４ 为建基面上水平向滑动力与竖 图５为塔基抗滑安全系数时 直向压力时程曲 线 ， 程曲 线 。 由 图 ４ 可 看 出 ， 进水塔建基面在地震过
图 １ 进水塔整体结构网格图和塔体有限元网格图 Ｆ ｉ １ Ｔ ｈ ｅ ｗ ｈ ｏ ｌ ｅ ｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅ ｒ ｉ ｄ ａ ｎ ｄ ｆ ｉ ｎ ｉ ｔ ｅ ｇ． ｇ ｅ ｌ ｅ ｍ ｅ ｎ ｔ ｍ ｅ ｓ ｈ ｏ ｆ ｔ ｏ ｗ ｅ ｒ
１ 计算模型与计算荷载
相加 或 相 减 ， 以 给 出 拉 压 应 力 的 最 大 值。图 ３ 为 ） 、 ） 静 ＋ 动（ 工况 １ 静 － 动（ 工况 ２ 两种工况下进水 塔下游侧边墙沿高程的总位移分布情况 。 表 ２ 为 进水塔静动组合应力表 。 由图 、 表可看出 ： ① 随高 最大值（ 程 的 增 加 总 位 移 幅 值 也 在 增 加， ４ ２． ７ 发生于启闭机 室 顶 部 ， 出现在工况２的组合 ｍｍ） 中 。４ １ ０ ０ｍ 高程以下的塔体由于自身刚度较 大， 曲 线 上 升 的 坡 度 较 缓， 地震动效果相对不明 最大值为 １ 而４ 显， ５ｍｍ； １ ０ ０ｍ 高程以上的启闭 机室由于刚度较小 ， 地震动效果较明显 ， 表现在曲 线上为上升 的 坡 度 较 陡 。 ②４ １ ０ ０ｍ高 程 楼 板 与 启闭机室墙体 、 边墩三者交接的区域拉压应力均 ， 较大 ， 幅值在 ４～５ ＭＰ 在设计过程中应予以足 ａ 够的 重 视 。 ③ 静 动 组 合 作 用 下 ， 结构应力以地震 产生的作用效应 为 主 ， 局部应力超出混凝土的设 需进行结构配筋 ， 且由于进水塔主体结构 计强度 ， 的刚度较大 ， 经适当配筋可满足抗震设计要求 。
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水 电 能 源 科 学 ２ ０ １ １年
以上 ， 表明进水塔 的 整 体 抗 滑 稳 定 完 全 满 足 规 范 要求 。
４ 结语
本文进水塔混凝 土 底 板 以 上 ５ ａ ． ４． ５ｍ 平面 尺寸较大 ， 基本为矩形对称结构 ， 结构无大的形状 突变 ， 且整体刚度较大 ， 抗震安全性较高 。 在抗震分析中发现各部件连接部位和角缘 ｂ ． 部位易出现应力 集 中 ， 尤其在进水塔与顶部机房 建议进行适当 的结合断面附近 为 抗 震 薄 弱 环 节 ， 的加强以提高整体刚度和局部强度 。 地基不存在 明 显 的 薄 弱 滑 动 面 ， 进水塔底 ｃ ． ， 板处设置了混凝 土 齿 墙 沿 建 基 面 的 抗 滑 稳 定 性 较高 。 背部山体对进水塔有一定的支撑和加强作 建议做好开挖面的处理和与岩面的结合 ， 适当 用，
基准期 ５ ０ 年内 ０． ２ ６ ３ ６ ３ ０． ２． 超越概率为 ５％
注： ａ Ｔｇ 为 特 征 周 期 ； ｈ 为设计地 震 加 速 度 代 表 值 ； ｍ ａ ｘ为 反 应 谱 β 最大代表值 。
格图和塔体有限元网格图见图 １。 （ ） 计算 荷 载 。 静 力 计 算 以 进 水 塔 检 修 作 为 ２ 典型工况 ， 需考 虑 的 荷 载 有
４ ４ 程中水平向 的 滑 动 力 值 在 １． ５×１ ０ ５×１ ０ ～４．
３． ２ 静动组合的动位移与动应力 水平地震动总反应幅值采用两个主轴方向的 再 与 乘 以 ０． 地震作用效用的平 方 和 方 根 ， ５遇合 系数的竖向地震效应相加 。 由于地震动的方向可 为任意的 ， 因此计算给出的位移方向也是任意的 ， 。在 应力可为正值 （ 拉应力 ） 也可为负值 （ 压应力 ） 与静力工况计算 结 果 进 行 叠 加 时 ， 分别进行静动
Ｖ ｏ ｌ ． ２ ９Ｎ ｏ ． １ １ Ｎ ｏ ｖ ． ２ ０ １ １
岸塔式进水塔结构的抗震与稳定性分析
程汉昆 ， 赵宝友 ， 马震岳
（ ） 大连理工大学 建设工程学部水利工程学院 ， 辽宁 大连 １ １ ６ ０ ２ ４ 摘要 ：以某水电站的岸塔式进水塔为例 ， 采 用 ＡＮ 应用地 Ｓ Ｙ Ｓ有限元仿真技术分析了该进水塔的自振特性， 震反应谱法研究了进水塔在三向地 震 动 作 用 下 的 动 力 响 应 ， 与静力计算结果进行叠加并评价了进水塔的抗 震安全性 ， 同时利用动力时程分析法分析校核了进水塔的稳定性 ， 可供同类工程的设计与研究参考 。 关键词 ：进水塔 ；结构 ；抗震 ；稳定性 ；有限元法 中图分类号 ： ＴＶ ７ ３ ２ ． １ 文献标志码 ：Ａ
ＭＰ ａ 项次 工况 １ 位置 最大值 工况 ２ 位置 最小值
顺河向 ４ １ ０ ０ ｍ 高 程 楼 板 ２． ７ ３ ４ １ ０ ０ ｍ 高 程 楼 板 －２． ６ １ 应力 与启闭机室墙体交 与边 墩 、 启闭机室 接的区域 墙体交接区域 横河向 闸门槽下端与回填 ３． ２ ３ ４ １ ０ ０ ｍ 高 程 楼 板 －２． ５ ３ 应力 混凝土交接的区域 与边 墩 、 启闭机室 墙体交接区域 竖向应力 ４ １ ０ ０ ｍ 高 程 楼 板 ４． ５ １ ４ １ ０ ４ ｍ 高 程 附 近 －４． ０ ３ 与启闭机室墙体交 启闭机室墙体处 接的区域 第一或第 ４ １ ０ ２ ｍ 高 程 的 启 ４． ８ ２ ４ １ ０ ４ ｍ 高 程 附 近 －４． ３ ７ 三主应力 闭机室墙体处 启闭机室墙体处
［ ３］
２ 计算原理
（ ） 动力计算 。 结构动力学基本运动方程为 ： １ ¨ ） ）＝ Ｆ （ ） Ｍ Ｘ （） ｔ ＋Ｃ Ｘ（ ｔ Ｘ（ ｔ ｔ １ ＋Ｋ ｅ （） 式中 ， 阻尼矩阵 Ｍ、 Ｃ、 Ｋ 分 别 为 结 构 的 质 量 矩 阵、 ¨ ） 、 ） 、 ） 分别为结构的加速 和刚度矩阵 ； Ｘ（ ｔ Ｘ（ ｔ Ｘ（ ｔ ） 度向量 、 速度向 量 和 位 移 向 量 ； 为结构的外 Ｆ ｔ ｅ（ 荷载矩阵 。
塔体绝对高度５ ４． ５ 某电站进水塔为岸塔式 ， ， ， ， 塔顶布置 的启闭机室 一侧靠山体 位 ２ ６． ０ｍ ｍ 于水 下 部 分 塔 的 内 外 均 被 水 包 围 ， 地 基、 进 水 塔、 山体与水体之间相互作用 ， 机理十分复杂 ， 加上地 震设防烈度 Ⅷ 度 ， 其抗震安全性和稳定性直接影 响到电站的 正 常 运 行 。 鉴 此 ， 本文通过对该岸塔 获得了一些 式进水塔的抗 震 和 稳 定 性 进 行 分 析 ， 有益的结论， 以期为类似工程设计与研究提供参考。