基于渡槽結(jié)構(gòu)考慮流固耦合的地震反應(yīng)計(jì)算

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1、鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文渡槽結(jié)構(gòu)考慮流固耦合的地震反應(yīng)計(jì)算姓名：徐偉申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：巖土工程指導(dǎo)教師：王博20040418鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文’簪．63526S摘要為緩解我國(guó)北方地區(qū)嚴(yán)重缺水的局面，我國(guó)決定興建南水北調(diào)大型水利工程，其中東、中線工程現(xiàn)已開工建設(shè)。南水北調(diào)水利工程的主要功能是改變水資源在時(shí)空上的自然分布，使之適應(yīng)社會(huì)生產(chǎn)和生活需要，是我國(guó)優(yōu)化水資源配置的重要基礎(chǔ)性措施。渡槽是跨越河流、道路、山谷等的架空輸水建筑物，在南水北調(diào)中線工程總干渠中，大型渡槽交叉建筑物就有數(shù)10座，且大部分位于地震烈度為Ⅶ度及以上的地區(qū)，有的還在地

2、震高發(fā)區(qū)，這些渡槽的抗震設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)南水北調(diào)中線工程的安全和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行有著至關(guān)重要的影響。因此，開展大型渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析的研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義，本文正是在此背景下開展研究的。目前國(guó)內(nèi)外對(duì)大型渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析主要采用振型分解反應(yīng)譜方法和動(dòng)態(tài)時(shí)程反應(yīng)分析方法進(jìn)行。振型分解反應(yīng)譜方法是土木工程抗震規(guī)范所普遍采用的估算等效地震作用的方法，適用于結(jié)構(gòu)跨度不大、地震輸入變異性小的中、小跨度渡槽的地震作用估算，該方法對(duì)大跨度高架渡槽的地震作用初步估算雖有一定幫助，但由于大跨度高架渡槽空間振型的耦合，渡槽采用薄壁槽身帶來(lái)的橫向彎扭位移耦合作用以及地

3、震波的輸入在空間與時(shí)間上的變異性，使對(duì)大跨度高架渡槽地震反應(yīng)的估算存在較大誤差，不能考慮地震動(dòng)的持續(xù)時(shí)間影響，且無(wú)法給出高架渡槽的動(dòng)力時(shí)程響應(yīng)。動(dòng)態(tài)時(shí)程反應(yīng)分析方法可以描述渡槽在地震作用下的結(jié)構(gòu)反應(yīng)，隨著強(qiáng)震記錄的增多，計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，該分析方法應(yīng)用越來(lái)越廣泛。過去由于計(jì)算機(jī)容量的限制，常采用簡(jiǎn)化的動(dòng)力分析模型計(jì)算渡槽結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)，例如，把渡槽槽身抽象為集中質(zhì)量，從而只研究渡槽支架的動(dòng)力反應(yīng)；或?qū)⒍刹郾”诓凵碛猛ǔ５膶?shí)心梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，不能考慮渡槽槽身薄壁桿件的橫向彎扭耦合振動(dòng)、約束扭轉(zhuǎn)變形等的影響：有的研究采用薄壁梁段單元，但忽略渡槽槽

4、身與水體的動(dòng)力相互作用。為確保大型渡槽的抗震安全性，對(duì)其進(jìn)行地震反應(yīng)計(jì)算，應(yīng)采用合適、實(shí)用的力學(xué)計(jì)算模型。本文是河南省高校杰出科研人才創(chuàng)新工程項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：2003KYCXOll)和河南省科技攻關(guān)項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：0224370025)的一部分，作者根據(jù)已有研究成果，考慮渡槽結(jié)構(gòu)帶水運(yùn)行、槽身為開口薄壁結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)，探討了大型渡槽結(jié)構(gòu)動(dòng)力分析模型。借助于作用于剛性儲(chǔ)液容器上的液動(dòng)壓力計(jì)算方法計(jì)算水體作用于渡槽槽身的作用力，考慮渡槽槽身與槽內(nèi)水體的動(dòng)力耦合：針對(duì)渡槽槽身為開口薄壁結(jié)構(gòu)特性，在探討渡槽動(dòng)力模型時(shí)考慮槽身的橫向位移、豎向位移、縱向翹

5、曲。采用有限單元法將渡槽離散，槽身采用薄壁梁段單元，每個(gè)單元節(jié)點(diǎn)有鄭州大學(xué)碩士學(xué)位論文8個(gè)自由度，每個(gè)槽身單元有16個(gè)自由度；支架采用空間梁?jiǎn)卧x散。運(yùn)用勢(shì)能駐值原理推導(dǎo)渡槽槽身單元?jiǎng)偠染仃?，由彈性系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)總勢(shì)能不變值原理推導(dǎo)槽身單元質(zhì)量矩陣，采用已有研究成果組集槽身阻尼矩陣及槽身與渡槽支架采用盆式橡膠支座的連接剛度，從而確定計(jì)算渡槽地震反應(yīng)的動(dòng)力模型。該動(dòng)力分析模型與現(xiàn)有的分析模型相比，不僅考慮了渡槽結(jié)構(gòu)槽體與水體間的流固動(dòng)態(tài)耦合，也考慮了槽身為開口薄壁結(jié)構(gòu)這一特點(diǎn)，與通用大型結(jié)構(gòu)分析程序相比，計(jì)算結(jié)果良好接近，但該計(jì)算模型簡(jiǎn)單，使用方

6、便，可用于大型渡槽整體結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析，是大型渡槽結(jié)構(gòu)較為實(shí)用的動(dòng)力分析模型。渡槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性包括自振頻率、振型等。本文根據(jù)選用的渡槽動(dòng)力分析模型，分5種工況計(jì)算了南水北調(diào)某大型渡槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性。計(jì)算結(jié)果表明：考慮渡槽槽身與水體的動(dòng)力相互耦合作用對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)自振頻率影響較大，因此在分析渡槽結(jié)構(gòu)的動(dòng)力特性時(shí)必須考慮槽內(nèi)水體與槽身的動(dòng)力相互作用；隨著槽內(nèi)水位的增高，渡槽槽身的各階自振頻率依次遞減；考慮流固耦合作用對(duì)渡槽槽身各階振型亦有相應(yīng)影響，各階豎向振型是獨(dú)立的，橫向振型與扭轉(zhuǎn)振型耦聯(lián)；渡槽槽內(nèi)水體的橫向振型與渡槽槽身橫向振型同步，當(dāng)渡槽槽

7、身振型以豎向彎曲為主時(shí)，渡槽附聯(lián)水體橫向振型不明顯。采用動(dòng)力時(shí)程分析法，利用本文選用的動(dòng)力分析模型，研究了南水北調(diào)中線工程某大型渡槽結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)5種工況在EL—Centro波、Taft波、Tianjin波、Pasedena波4條地震波同步激振作用下的地震時(shí)程反應(yīng)，從位移及應(yīng)力2個(gè)方面分析了地震對(duì)大型渡槽結(jié)構(gòu)的影響。計(jì)算結(jié)果表明：隨著槽內(nèi)水位的升高，渡槽上部質(zhì)量增加，橫向地震反應(yīng)位移都逐漸變大，考慮流固耦合時(shí)的各跨中點(diǎn)橫向位移均小于不考慮流固耦合時(shí)的橫向位移，說明水體一結(jié)構(gòu)的相互耦合，降低了渡槽結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)橫向位移：橫向激振時(shí)考慮縱向翹曲對(duì)縱向

8、正應(yīng)力影響比較大，而縱向激振時(shí)單元翹曲變形非常小，可以忽略翹曲對(duì)縱向正應(yīng)力的影響；隨著水位的升高，槽身截面的縱向正應(yīng)力、剪應(yīng)力及翹曲正應(yīng)力均增大；考慮流固耦合時(shí)的縱向正應(yīng)力、剪應(yīng)