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| 有限元分析 |
PosoI水电站位于印度尼西亚东部苏拉维西岛中央中苏拉维西省Poso湖下游Poso河上，总装机120MW。该电站利用Poso湖形成水库，采用低闸引水式开发，闸址距离Poso湖出口约14km，正常蓄水位510.50m，最低运行水位506.00m。电站主要建筑物包括闸坝、右岸取水口、引水钢管、调压塔、压力钢管、地面厂房等。地面调压塔下基础为覆盖层基础，揭露的覆盖层主要为含块碎石的砾石土层，土体较密实，弱透水。压力钢管沿线布置有钻孔，钻孔资料显示，地表以下50m范围内无基岩。
PosoI水电站场址地震基本烈度大于Ⅷ度，50年超越概率为 10%的基岩地震动峰值加速度为0.25g。PosoI水电站地面调压塔结构抗震性能好坏危及引水发电系统运行期的安全和效益。鉴于调压塔为高耸的薄壁结构、基础为覆盖层、区域地震烈度较高，只依靠简单的结构假定及力学计算无法准确描述调压塔结构在动、静力工况下的应力变形情况。因此，本文采用有限元分析法对PosoI水电站地面式调压塔结构进行三维静动力分析研究，以评价调压塔结构的安全性。
根据工程实际，建立地面式调压塔有限元模型，模型包括调压筒钢管结构、引水钢管结构、阻抗孔、八面体基座、混凝土桩基础以及地基，计算模型见图1和图2。地基采用SOLID45实体八节点六面体单元，混凝土基座结构较为复杂，网格划分时采用SOLID65四面体单元，钢结构采用SHELL63四边形平面单元。整个模型的节点总数为55,165，单元总数为112,263。计算模型坐标系为笛卡尔坐标系，X向为顺压力钢管方向，指向下游为正；Z向为竖直方向，向上为正；水平面为XY平面，符合右手螺旋定则。
计算时施加的边界条件为：地基四周施加法向约束，底部施加全约束；压力钢管只在水流向X向施加轴向约束，其余边界均为自由边界。计算假定混凝土底板与桩基之间共节点（土与桩变形协调）；地基、混凝土及钢材均为各向同性、均匀连续的弹性体。
作用于主体结构的荷载主要有：结构自重、静水压力、水重、温度荷载、风载和地震荷载。本文参照《水工建筑物荷载设计规范》（DL5077-1997）及《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-2000）中的相关标准分别对结构自重、水重、静水压力、温度荷载、风载、地震作用效应产生的动水压力进行了计算。本文主要介绍正常运行、暴风和地震三个工况的计算结果。
温度荷载取温升荷载5℃。垂直作用于建筑物表面上的风荷载标准值。
对于地震荷载，按50年超越概率10%的地震基岩动峰值加速度0.25g进行设计。按照印尼标准，采用1.4的放大系数，因此设计输入地震加速度为0.35g。地震激励按顺水流向（X向）、横水流向（Y向）及竖直向（Z向）三个方向输入，水平向地震加速度为0.35g，竖直向地震加速度取水平向的2/3即0.23g。地震作用效应的动力分析方法采用振型分解反应谱法，由于结构各阶振型对应的频率比较密集，因此各阶振型的地震作用效应按完全二次型方根（CQC）法组合。所在场地类别为Ⅰ类，地震设计反应谱按《水工建筑物抗震设计规范》（DL5073-2000）确定，设计反应谱见图3。结构自振特征周期Tg取0.20s，结构设计反应谱最大值的代表值maxβ取2.25，反应谱下限值的代表值minβ取最大值代表值的20%，阻尼比取0.05。地震动水压力按附加质量考虑，将动水压力折算为与单位地震加速度相应的结构面附加质量。
