地震动水附加质量的方法研究范文

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《西北水电杂志》2015年第二期

1计算分析过程

1.1计算模型采用ANSYS建立三维有限元模型，混凝土和地基采用SOLID45单元来模拟，地震时塔内外水体产生的动水压力以附加质量的形式用质量单元Mass21进行模拟。模型在地基深度方向、上下游侧及左右侧均取2.0倍建筑物高度（100m）的无质量地基，以反映地基刚度对塔体动力特性的影响。基础前后、左右边界分别按法向链杆约束，基础底部边界采用全约束，以模拟截断边界的影响。图3-1为进水塔纵剖面图，图3-2为塔体三维有限元模型。计算直角坐标系为：竖直向上为x轴正向，顺水流向为y轴正向，垂直水流向指向左岸为z轴正向。

1.2材料参数进水塔塔体材料为C25混凝土，塔后回填混凝土强度等级为C15，塔体基础在弱风化岩体内，为Ⅲ类岩体。

1.3计算荷载计算荷载包括自重、静水压力、动水压力、扬压力、地震力，正常蓄水位1775.0m。本工程为一等大（1）型工程，进水塔为1级建筑物，抗震设防类别为乙类，地震设防烈度为Ⅶ度。根据地震安评成果50年超越概率5%相应的基岩动峰值加速度为195.2gal。采用规范推荐的地震加速度反应谱进行动力计算，反应谱放大系数2.4，场地特征周期0.55，同时计入水平向和竖向地震作用，竖向峰值加速度为水平向峰值加速度的2/3。水平地震动总反应幅采用两个主轴方向地震作用效应的平方和方根，再与乘以0.5遇合系数的竖向地震效应相加，在与静力叠加时地震作用效应折减系数取0.35。

1.4计算工况对进水塔进行地震工况计算，荷载为：自重+静水压力+扬压力±地震。其中地震作用包括地震惯性力和地震动水压力，出于比较目的在其他条件均相同的情况下，将地震动水压力按以下两种方案进行对比分析：方案一：考虑附加质量方向性。计算某一方向地震作用时仅在塔体垂直该方向的面上施加动水附加质量，即MASS21单元该方向实常数为相应附加质量，其余方向实常数为零。方案二：不考虑附加质量方向性。计算某一方向地震作用时在塔体X、Y、Z方向上均施加动水附加质量，即MASS21单元X、Y、Z方向实常数分别为相应附加质量。

2有限元计算结果分析

各方案计算结果比较如表4-1~表4-3所示。从计算结果可以看出：（1）施加动水附加质量后塔体自振频率都会显著降低，如考虑附加质量的方向性，基频降幅约为30%，如不考虑附加质量的方向性，基频降幅最大约为50%。（2）考虑附加质量的方向性与否对自振频率影响很大，但是对位移和应力幅值影响较小，这是由于：一方面，从表4-1可以发现，尽管自振频率不同，但是反应谱值相差较小，而且第一阶谱值均相同；另一方面，在不考虑附加质量的方向时，虽然在三个方向都有质量元的分量，但是当计算某一方向的地震作用效应时其他两个方向上的质量元分量对其影响很小；第三，计算中按照规范规定对地震作用效应进行折减后，地震作用效应占总效应的比例较小。

3结语

通过对进水塔三维有限元动力计算分析可知，考虑附加质量的方向性与否对塔体自振频率影响很大，但是对位移和应力幅值影响相对较小，同时参照相关参考文献以及目前一些高校和科研单位的通用方法，在进水塔动水压力计算中考虑附加质量方向性，即计算某一方向地震作用时仅在塔体垂直该方向的面上施加动水附加质量，并且附加质量的指引方向要与地震方向相一致。

作者：李锋闫喜王茜单位：中国水电顾问集团西北勘测设计研究院有限公司