• ISSN 0258-2724
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基于流固耦合分析的高墩渡槽止水地震失效分析

邓开来 张烨欣 李智渊 郝明辉 廖文彬

邓开来, 张烨欣, 李智渊, 郝明辉, 廖文彬. 基于流固耦合分析的高墩渡槽止水地震失效分析[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230640
引用本文: 邓开来, 张烨欣, 李智渊, 郝明辉, 廖文彬. 基于流固耦合分析的高墩渡槽止水地震失效分析[J]. 西南交通大学学报. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230640
DENG Kailai, ZHANG Yexin, LI Zhiyuan, HAO Minghui, LIAO Wenbin. Seismic Failure Analysis of High-Pier Aqueduct Water-Stop Based on Fluid-Solid Coupling[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230640
Citation: DENG Kailai, ZHANG Yexin, LI Zhiyuan, HAO Minghui, LIAO Wenbin. Seismic Failure Analysis of High-Pier Aqueduct Water-Stop Based on Fluid-Solid Coupling[J]. Journal of Southwest Jiaotong University. doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230640

基于流固耦合分析的高墩渡槽止水地震失效分析

doi: 10.3969/j.issn.0258-2724.20230640
基金项目: 云南省重大科技专项计划(202102AF080001);四川省科技计划(2022JDRC0012,2023YFS0429)
详细信息
    作者简介:

    邓开来(1989—),男,副教授,博士,研究方向为工程抗震,E-mail:kailai_deng@163.com

    通讯作者:

    廖文彬(1974—),男,研究方向为公路工程,E-mail:aa77552023@163.com

  • 中图分类号: U442.55

Seismic Failure Analysis of High-Pier Aqueduct Water-Stop Based on Fluid-Solid Coupling

  • 摘要:

    为探究地震下大型高墩渡槽止水的性能表现,基于流固耦合方法建立渡槽结构有限元模型,模拟动力效应下渡槽-水体的非线性耦合行为,通过引入止水变形失效阈值,重现槽跨间止水的失效过程,模拟止水失效后槽内水体的外溢;依托某实际高墩渡槽结构,通过非线性动力分析得到渡槽的宏细观地震响应,包括槽墩应变、支座位移、止水损伤等,揭示不同支座类型、减隔震装置对渡槽抗震性能的影响. 研究结果表明:在罕遇地震下,槽墩、槽身不会发生显著材料损伤,地震下渡槽结构安全具有保障;但设计地震下,渡槽止水即发生失效,无法保障渡槽震后保持正常引水功能;加入钢阻尼器可有效控制槽跨的变形,保障设计地震下渡槽止水不发生破坏,但罕遇地震下止水不可避免发生破坏,强震下的槽跨变形控制依然面临着挑战.

     

  • 渡槽是山区引水工程的关键性构筑物,其抗震性能直接影响到整个引水工程的震灾安全和震后恢复性[1-2]. 国内外学者研究发现,渡槽上部质量巨大,采用减隔震设计可以有效控制槽墩内力,减小上部结构传递给槽墩的内力,从而达到提升渡槽的抗震性能[3-6]. 但是,隔震支座虽然可以减小槽墩结构内力,但其刚度较小,槽身的位移响应过大,可能导致渡槽之间的止水发生破坏[7]. 渡槽中槽跨之间的缝宽远小于公路、铁路桥梁,Huang等[8]通过分析表明,在地震作用下相邻槽跨会发生碰撞,可能会导致渡槽端面发生损伤破坏. 张多新等[9]通过数值分析表明,采用隔震支座的相邻槽跨位移差较大,建议高烈度区渡槽选用变形能力好的止水,以防止大位移差下止水撕裂. 以上研究说明,渡槽中的止水失效应该得到更多的关注,仅仅保障基本构件安全并不能完全提升渡槽的抗震性能.

    有别于公路、铁路桥梁,渡槽地震响应分析的重要特征在于需要考虑槽内水体的流固耦合效应. 自Housner提出了水体的简化弹簧-质量模型以来[10],经过国内外学者的研究[11-14],已形成广泛接受的渡槽-水体简化模型,被纳入《水工建筑物抗震设计标准》[15]. 该简化模型要求水体小幅均匀晃动且不发生自旋,槽壁为刚性边界条件,然而,强震作用下,槽内水体晃动剧烈,且槽壁可能发生变形,简化模型的计算结果可能显著失真[16]. 依托滇中引水工程的典型矩形断面渡槽,梁桓玮等[17]比对了弹簧-质量简化模型与欧拉-拉格朗日耦合(CEL)分析的动力响 应发现,槽身水平加速度小于2.5 m/s2时,2个模型分析结果较为接近,当槽身加速度超过2.5 m/s2时,CEL模型分析结果明显高于简化模型,强震下水体自旋、槽壁变形都会导致传统简化模型失效.

    综上所述,地震下渡槽止水的破坏机制尚不明晰,需要采用考虑流固耦合效应的模型对其进行更加细致的研究. 依托某典型高墩渡槽实际工程,本文采用CEL方法建立了其节段模型,重现了止水受拉失效、水体外溢的物理过程,并通过对典型三跨渡槽的动力分析,得到了渡槽的宏细观地震响应,对比了不同渡槽约束装置对其宏观地震响应、细观止水失效过程的影响,并提出了止水地震损伤控制的设计建议.

    以某典型渡槽为例,如图1所示. 渡槽跨度为32 m,为U型截面的预应力混凝土梁,端部3 m范围内截面有所放大. 槽身采用C50混凝土,HRB400钢筋,截面配筋率为0.24%,沿槽身纵向、竖向均布置了预应力筋,以提高槽身的抗裂性能. 1号、2号槽墩(P1、P2)高度分别为46 m和26 m,为圆端形空心截面,墩顶截面尺寸相同,从墩顶到墩底采用5%放坡,材料为C50混凝土,截面配筋率为0.15%. 与槽跨布置方向对应的盆式橡胶支座布局如图1(c)所示.

    图  1  某典型渡槽(单位:cm)
    Figure  1.  Typical aqueduct (unit: cm)

    槽身之间的止水宽度为30mm,采用U型橡胶止水,如图2所示. 根据《高分子防水材料第2部分:止水带》(GB/T 18173.2—2014),该U型橡胶止水的极限应变不低于380%,认为其极限变形能力为114 mm[18].

    图  2  槽缝处止水构造
    Figure  2.  Structure of water-stop between aqueducts

    采用ABAQUS软件建立渡槽模型. 图3为槽缝处的节段模型,涵盖了槽缝两侧3 m长的渡槽节段以及渡槽之间30 mm宽的止水. 采用C3D8R单元模拟混凝土渡槽,即8节点六面体线性减缩积分单元,相比普通的完全积分单元在每个方向少用一个积分点,可以有效控制“沙漏”问题且使用减缩积分单元可以避免剪切自锁问题. 采用T3D2杆单元模拟钢筋、预应力筋,T3D2杆单元是一种轻量级的梁单元类型,能够模拟较大的变形. 钢筋、预应力筋与混凝土渡槽完全黏结,不会产生相对滑移. 采用S4R单元模拟止水,即四节点曲壳单元,采用减缩积分方式,包含沙漏模式控制,容许有限薄膜应变. 止水边缘节点与渡槽端面完全绑定. 采用欧拉单元模拟槽内水体,欧拉域覆盖住水体可能出现的所有位置,欧拉域端面设置0速度边界条件,防止水体外溢. 通过Volume faction tool确定水体初始体积,水体与渡槽采用通用接触,使各个部件在分析过程中保持正确的布尔关系.

    图  3  渡槽节段数值模型
    Figure  3.  Numerical model of segmental aqueduct

    本文选用的材料应力应变曲线如图4所示. 图中:σ为应力;ε为应变;fcftfu分别为混凝土的峰值抗压强度、峰值抗拉强度和残余抗压强度,εcεtεu分别为3个强度对应的应变. 本文取fc=32.4 MPa,ft=2.64 MPa,fu=6.4 MPa;钢筋为经典双线性模型,屈服强度为400 MPa,屈服后弹模比为0.01;预应力筋屈服强度为1860 MPa,考虑预应力损失后的初始预应力为1100 MPa;止水材料的弹性模量E0为7.8 MPa,屈服强度为6 MPa,失效应变为3.8,失效后单元退出工作.

    图  4  材料本构模型
    Figure  4.  Constitutive model of material

    对渡槽底面和端面的节点施加位移边界约束,第一个分析步施加重力,第二个分析步对右侧渡槽节段施加强制位移条件,如图5所示. 强制位移在2 s内加载结束,2 s后模拟水体在重力下自由溢出的过程.

    图  5  槽跨相对位移
    Figure  5.  Relative displacement of aqueduct span

    节段模型得到的止水破坏过程如图6所示,图中:t为分析步时间,d为渡槽相对位移. 在初始阶段止水受到弹性拉伸,依然可以发挥止水作用;当槽缝顺向变形达到11.2 cm时(与设定的10.8 cm非常接近),止水变形达到失效阈值,损伤因子为1.0,止水单元退出工作,水体开始从槽缝中流出;当分析步为6 s时,槽内水体已经显著流失,水位高度明显下降.

    图  6  止水破坏和水体流失过程
    Figure  6.  Water-stop damage and water loss process

    图7显示了止水单元损伤因子、欧拉单元体积分数(EVF)随加载位移的变化趋势. 1.28 s时刻,止水失效,单元退出工作,槽内水体开始流失;2 s时刻,溢出的水体达到欧拉域的边界,EVF开始下降. 上述变量的变化过程与分析得到的可视化模型一致,有效分析了止水失效、水体溢出的全过程,证明该建模方式可支撑渡槽止水在地震作用下的失效分析.

    图  7  止水损伤因子和EVF随时间变化规律
    Figure  7.  Variation of water-stop damage factor and EVF with time

    基于上述建模方案,本文建立了典型渡槽的全桥模型,如图8所示. 整体模型中,槽跨、水体、止水的建模方式与节段模型相同,槽墩采用C3D8R实体单元,其中内嵌T3D2钢筋单元. 墩底采用6自由度弹簧和固定边界相连接,表征桩群对墩底的弹性约束. 本文考虑了4种不同的抗震约束装置,对比参数如表1所示.

    图  8  典型渡槽全桥模型
    Figure  8.  Full bridge model of typical aqueduct
    表  1  渡槽动力响应分析工况设施
    Table  1.  Working conditions for aqueduct dynamic response
    工况名称支座挡块阻尼器
    PRB盆式橡胶支座
    FPS-R摩擦摆支座
    FPS-D摩擦摆支座
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    研究表明:当桥梁跨度较小或地震竖向分量作用较小时,摩擦型支座中动轴力效应对桥墩宏观响应量影响较小,可用简化的双线性模型来模拟支座行为[19]. 盆式橡胶支座采用非线性连接单元,在竖向、水平固定方向保持弹性,水平活动方向为理想弹塑性,活动方向的起滑力Fs为其所承受重力荷载代表值Gs的0.03倍(图9(a),F为水平荷载,D为水平变形),其固定、活动支座的布局如图1(c)所示.

    图  9  支座和挡块的力学模型
    Figure  9.  Mechanical model of bearing and block

    摩擦摆支座竖向设置为弹性,水平向采用理想弹塑性,起滑力为重力荷载代表值的0.03倍,忽略了支座曲面滑动带来的自复位效应. 相关研究成果表明,该模型也可支撑摩擦摆支座的简化计算,能提升计算效率和稳定性[20]. 支座处横向挡块为混凝土挡块,横桥向厚60 cm,顺桥向长60 cm,采用HRB400钢筋,其力学模型采用韦旺等[21]的建议,如图9(b)所示. FPS-D中阻尼器采用钢阻尼器,在横槽向和顺槽向同时布置,每个桥墩和桥台处钢阻尼器的单向总和屈服力为3.6 MN,屈服位移为3 mm,屈服后刚度比为1.0%.

    渡槽模态分析结果如图10所示. 渡槽一阶振型为横漂,周期0.357 s;二阶振型纵漂,周期0.286 s;三阶振型为二阶横漂,周期0.215 s;四阶振型为槽跨扭转,周期0.147 s.

    图  10  渡槽自振模态
    Figure  10.  Vibration mode of aqueduct

    渡槽安评报告指出,该场地50年超越概率10%(DBE),50年超越概率2%(MCE)和100年超越概率1%(VRE)地震强度PGA对应的场地峰值加速度分别为0.145g,0.253g和0.373g.

    根据安评报告提供的加速度反应谱,每个强度各生成3条人工地震波. 目标反应谱与生成地震波的反应谱如图11所示. 在动力时程分析中,地震波按照1∶1∶0.85的比例沿顺槽向、横槽向、竖向进行输入,同一强度地震动下,3条人工波的最大值作为地震响应.

    图  11  地震安评报告提供的反应谱
    Figure  11.  Response spectrum by earthquake safety assessment report

    相对传统的简化弹簧-质量模型,CEL分析对计算资源消耗巨大. 以本文为例,在基频为2.5 GHz的6核12线程计算机上运算地震工况,以双线程进行运算需要约73 h. 在所有地震强度下,槽墩和槽身都保持了基本完好,钢筋并未发生屈服. 渡槽自重巨大,槽墩截面较大,而支座传递的水平剪力有限,并不会导致槽墩钢筋屈服. 表2统计了槽墩混凝土的最大主应力. 在DBE和MCE强度下,槽墩混凝土最大主应力不超过其抗拉强度标准值,证明槽墩不会开裂. 在VRE强度下,PRB和FPS-D的最大主应力超过开裂应力,而FPS-R模型的最大主应力低于开裂应力.

    表  2  槽墩混凝土最大应力
    Table  2.  Maximum stress of concrete in pier MPa
    工况 PRB FPS-R FPS-D
    DBE 1.31 0.31 0.95
    MCE 2.14 0.91 1.58
    VRE 2.66* 2.41 2.66*
     *注:主应力超过开裂应力,无法继续增加.
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    图12统计了P1和P2槽墩约束装置的峰值水平荷载. PRB中,峰值水平荷载随着地震强度的提升而增加,每个槽墩上,顺槽向和横槽向均有2个固定支座,水平荷载主要由固定支座提供. FPS-R模型,摩擦摆支座在DBE强度下即发生了起滑,但并未与挡块撞击;在MCE强度下,槽跨与挡块发生撞击,挡块限制了槽跨的横向位移,横槽向地震力随着地震强度的增加而增加,但依然小于PRB. FPS-R模型在顺桥向无挡块,支座能提供的水平力仅为重力荷载代表值与摩擦系数的乘积,则与FPS模型几乎相同. FPS-D中,DBE强度下阻尼器保持弹性,在MCE强度是钢阻尼器屈服,墩顶约束装置能提供的水平抗力达到峰值,在VRE强度下不再继续增加.

    图  12  墩顶最大水平力
    Figure  12.  Maximum horizontal force at pier top

    需要强调的是,固定盆式橡胶支座的力学模型并未设置失效阈值,在VRE强度下固定支座的水平荷载峰值超过11.6 MN,实际工程中的固定盆式橡胶支座可能早已失效. 因此,该固定支座模型可能高估了PRB桥墩受到的水平力,在未来的研究中,应该开发考虑支座失效的固定支座模型,提升高墩渡槽的地震响应分析精度.

    支座的最大变形如图13所示. 从图中可以看出:1) PRB模型中的支座变形远小于FPS-R和FPS-D,主要原因依然是PRB模型中存在固定支座,有效限制了墩梁相对变形;2) FPR-R模型中,槽跨在顺桥向缺乏变形约束装置,摩擦摆支座的变形过大,在MCE强度下已经超过25 cm,有发生落座的可能性. 因此,当大型高墩渡槽采用摩擦摆支座时,建议在顺槽向也需要布置阻尼器或其他限制槽跨变形的装置,以控制槽跨变形;3) FPR-D模型中,DEB强度下钢阻尼器保持弹性,限制了槽跨变形,支座变形与PRB模型较为接近. 在MCE和VRE强度下,钢阻尼器屈服,支座变形显著增大,依然保持在10 cm以下,槽跨不会发生落座.

    图  13  支座最大变形
    Figure  13.  Maximum deformation of bearing

    图14为DBE强度下P1槽墩处止水的最终失效状态. 在PRB模型中,止水均发生了局部失效,部分单元已经退出工作;FPS-R模型中,止水部分撕裂;FPS-D模型中,止水保持完好,并未发生损伤. 在MCE和VRE强度下,3个模型的止水都发生了完全失效,止水单元已经完全消失;P2槽墩处的止水失效模式与P1类似.

    图  14  DBE强度下止水失效模式
    Figure  14.  Failure mode of water-stop at DBE intensity

    从对比分析可以看出,摩擦摆支座虽然能降低地震力,但对槽跨位移的控制效果较差,导致止水发生更加明显的破坏;而固定盆式橡胶支座的存在,有效限制了槽身位移,在一定程度上可以防止止水失效;加入钢阻尼器可以有效控制槽跨位移.

    图15呈现了止水发生失效的时间. 在DBE强度下,PRB模型中止水失效晚于FPS-R,固定盆式橡胶支座一定程度限制了槽跨位移,延缓了止水失效. FPS-D模型中的止水并未发生失效. 在MCE地震下,FPS-D模型的止水失效稍晚于PRB,远远晚于FPS-R模型. FPS-D加入了阻尼器,有效控制了DBE强度下的槽跨变形,对MCE强度下的止水失效也有显著的延缓作用. 在VRE地震下,钢阻尼器屈服较早,过早地失去对槽跨位移的约束作用. 在VRE地震下,3个模型的止水失效发生时间比较接近,钢阻尼器也无法完全约束槽跨变形.

    图  15  止水失效时刻
    Figure  15.  Failure time of water-stop

    图16显示了震后的水体液面高度. 相对震前初始状态,震后水体高度显著下降,表明止水失效后有大量的水体外溢. 此外,水体振动呈现出明显的非规则性,再次证明了水体无自旋的假定失效,需要在分析中考虑水体-槽跨的流固耦合效应,由此真实地反映渡槽的地震响应.

    图  16  VRE强度下渡槽水体残余高度
    Figure  16.  Residual water height in aqueducts at VRE intensity

    图17表示了震后渡槽中的EVF和初始值的比例,即反应了渡槽震后残余的水体体积. 从图中可以看出:由于PRB模型止水失效时刻最晚,故其最终残余EVF显著大于FPS-R和FPS-D;挡块仅能限制横向变形,而止水的破坏主要是由于相邻槽跨的纵向位移差,故FPS-R模型的残余EVF比较小;FPS-D模型中残余EVF略高于FPS-R,但小于PRB,主要原因在于FPS-D模型中,虽然止水失效较晚,但钢阻尼器屈服后,无法继续限制槽跨变形,槽跨变形大于PRB模型,故残余EVF小于PRB模型.

    图  17  残余水体体积比例
    Figure  17.  Ratio of residual water volume

    另外,地震强度PGA越大,残余水体体积越大,主要是由于槽缝较窄,地震强度越高,槽跨中的水体运动更加剧烈,从槽缝处流失的速度更慢,故残余EVF随着地震强度的提高反而更高.

    本文依托某典型高墩渡槽进行了地震响应分析,得到了渡槽在不同强度地震下的宏细观结构响应,验证了渡槽结构的抗震安全性,呈现了槽跨之间止水的性能状态,证明了该设计可保障渡槽结构安全,但止水的失效破坏依然无法避免. 本文的主要结论如下:

    1) 通过节段模型的分析,有效重现了渡槽止水的失效过程,以及止水失效后的水体外溢,表明该基于欧拉-拉格朗日方法的渡槽模型可支撑渡槽止水失效分析.

    2) 在罕遇地震强度下,钢筋混凝土槽墩、预应力混凝土槽身等构件并未发生损伤,构件的地震响应规律与常规桥梁类似,证明了渡槽的震灾结构安全性;但设计强度地震即导致了止水失效,既有设计无法保障渡槽震后保持引水功能.

    3) 加入钢阻尼器可有效控制槽跨的变形,在设计地震强度下,渡槽止水不发生破坏,渡槽功能在震后得以保持,但在更高的地震强度下,止水依然会发生破坏,强震下槽跨变形控制依然面临着挑战.

  • 图 1  某典型渡槽(单位:cm)

    Figure 1.  Typical aqueduct (unit: cm)

    图 2  槽缝处止水构造

    Figure 2.  Structure of water-stop between aqueducts

    图 3  渡槽节段数值模型

    Figure 3.  Numerical model of segmental aqueduct

    图 4  材料本构模型

    Figure 4.  Constitutive model of material

    图 5  槽跨相对位移

    Figure 5.  Relative displacement of aqueduct span

    图 6  止水破坏和水体流失过程

    Figure 6.  Water-stop damage and water loss process

    图 7  止水损伤因子和EVF随时间变化规律

    Figure 7.  Variation of water-stop damage factor and EVF with time

    图 8  典型渡槽全桥模型

    Figure 8.  Full bridge model of typical aqueduct

    图 9  支座和挡块的力学模型

    Figure 9.  Mechanical model of bearing and block

    图 10  渡槽自振模态

    Figure 10.  Vibration mode of aqueduct

    图 11  地震安评报告提供的反应谱

    Figure 11.  Response spectrum by earthquake safety assessment report

    图 12  墩顶最大水平力

    Figure 12.  Maximum horizontal force at pier top

    图 13  支座最大变形

    Figure 13.  Maximum deformation of bearing

    图 14  DBE强度下止水失效模式

    Figure 14.  Failure mode of water-stop at DBE intensity

    图 15  止水失效时刻

    Figure 15.  Failure time of water-stop

    图 16  VRE强度下渡槽水体残余高度

    Figure 16.  Residual water height in aqueducts at VRE intensity

    图 17  残余水体体积比例

    Figure 17.  Ratio of residual water volume

    表  1  渡槽动力响应分析工况设施

    Table  1.   Working conditions for aqueduct dynamic response

    工况名称支座挡块阻尼器
    PRB盆式橡胶支座
    FPS-R摩擦摆支座
    FPS-D摩擦摆支座
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    表  2  槽墩混凝土最大应力

    Table  2.   Maximum stress of concrete in pier MPa

    工况 PRB FPS-R FPS-D
    DBE 1.31 0.31 0.95
    MCE 2.14 0.91 1.58
    VRE 2.66* 2.41 2.66*
     *注:主应力超过开裂应力,无法继续增加.
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-12-05
  • 修回日期:  2024-01-12
  • 网络出版日期:  2024-07-25

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