地震動水附加質量的方法研究范文

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《西北水電雜志》2015年第二期

1計算分析過程

1.1計算模型采用ANSYS建立三維有限元模型，混凝土和地基采用SOLID45單元來模擬，地震時塔內外水體產生的動水壓力以附加質量的形式用質量單元Mass21進行模擬。模型在地基深度方向、上下游側及左右側均取2.0倍建筑物高度（100m）的無質量地基，以反映地基剛度對塔體動力特性的影響。基礎前后、左右邊界分別按法向鏈桿約束，基礎底部邊界采用全約束，以模擬截斷邊界的影響。圖3-1為進水塔縱剖面圖，圖3-2為塔體三維有限元模型。計算直角坐標系為：豎直向上為x軸正向，順水流向為y軸正向，垂直水流向指向左岸為z軸正向。

1.2材料參數進水塔塔體材料為C25混凝土，塔后回填混凝土強度等級為C15，塔體基礎在弱風化巖體內，為Ⅲ類巖體。

1.3計算荷載計算荷載包括自重、靜水壓力、動水壓力、揚壓力、地震力，正常蓄水位1775.0m。本工程為一等大（1）型工程，進水塔為1級建筑物，抗震設防類別為乙類，地震設防烈度為Ⅶ度。根據地震安評成果50年超越概率5%相應的基巖動峰值加速度為195.2gal。采用規范推薦的地震加速度反應譜進行動力計算，反應譜放大系數2.4，場地特征周期0.55，同時計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。水平地震動總反應幅采用兩個主軸方向地震作用效應的平方和方根，再與乘以0.5遇合系數的豎向地震效應相加，在與靜力疊加時地震作用效應折減系數取0.35。

1.4計算工況對進水塔進行地震工況計算，荷載為：自重+靜水壓力+揚壓力±地震。其中地震作用包括地震慣性力和地震動水壓力，出于比較目的在其他條件均相同的情況下，將地震動水壓力按以下兩種方案進行對比分析：方案一：考慮附加質量方向性。計算某一方向地震作用時僅在塔體垂直該方向的面上施加動水附加質量，即MASS21單元該方向實常數為相應附加質量，其余方向實常數為零。方案二：不考慮附加質量方向性。計算某一方向地震作用時在塔體X、Y、Z方向上均施加動水附加質量，即MASS21單元X、Y、Z方向實常數分別為相應附加質量。

2有限元計算結果分析

各方案計算結果比較如表4-1~表4-3所示。從計算結果可以看出：（1）施加動水附加質量后塔體自振頻率都會顯著降低，如考慮附加質量的方向性，基頻降幅約為30%，如不考慮附加質量的方向性，基頻降幅最大約為50%。（2）考慮附加質量的方向性與否對自振頻率影響很大，但是對位移和應力幅值影響較小，這是由于：一方面，從表4-1可以發現，盡管自振頻率不同，但是反應譜值相差較小，而且第一階譜值均相同；另一方面，在不考慮附加質量的方向時，雖然在三個方向都有質量元的分量，但是當計算某一方向的地震作用效應時其他兩個方向上的質量元分量對其影響很小；第三，計算中按照規范規定對地震作用效應進行折減后，地震作用效應占總效應的比例較小。

3結語

通過對進水塔三維有限元動力計算分析可知，考慮附加質量的方向性與否對塔體自振頻率影響很大，但是對位移和應力幅值影響相對較小，同時參照相關參考文獻以及目前一些高校和科研單位的通用方法，在進水塔動水壓力計算中考慮附加質量方向性，即計算某一方向地震作用時僅在塔體垂直該方向的面上施加動水附加質量，并且附加質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：中國水電顧問集團西北勘測設計研究院有限公司