基于渡槽结构考虑流固耦合的地震反应计算

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1、郑州大学硕士学位论文渡槽结构考虑流固耦合的地震反应计算姓名：徐伟申请学位级别：硕士专业：岩土工程指导教师：王博20040418郑州大学硕士学位论文’簪．63526S摘要为缓解我国北方地区严重缺水的局面，我国决定兴建南水北调大型水利工程，其中东、中线工程现已开工建设。南水北调水利工程的主要功能是改变水资源在时空上的自然分布，使之适应社会生产和生活需要，是我国优化水资源配置的重要基础性措施。渡槽是跨越河流、道路、山谷等的架空输水建筑物，在南水北调中线工程总干渠中，大型渡槽交叉建筑物就有数10座，且大部分位于地震烈度为Ⅶ度及以上的地区，有的还在地

2、震高发区，这些渡槽的抗震设计，对整个南水北调中线工程的安全和经济运行有着至关重要的影响。因此，开展大型渡槽结构地震反应分析的研究具有重要的现实意义，本文正是在此背景下开展研究的。目前国内外对大型渡槽结构地震反应分析主要采用振型分解反应谱方法和动态时程反应分析方法进行。振型分解反应谱方法是土木工程抗震规范所普遍采用的估算等效地震作用的方法，适用于结构跨度不大、地震输入变异性小的中、小跨度渡槽的地震作用估算，该方法对大跨度高架渡槽的地震作用初步估算虽有一定帮助，但由于大跨度高架渡槽空间振型的耦合，渡槽采用薄壁槽身带来的横向弯扭位移耦合作用以及地

3、震波的输入在空间与时间上的变异性，使对大跨度高架渡槽地震反应的估算存在较大误差，不能考虑地震动的持续时间影响，且无法给出高架渡槽的动力时程响应。动态时程反应分析方法可以描述渡槽在地震作用下的结构反应，随着强震记录的增多，计算机技术的发展，该分析方法应用越来越广泛。过去由于计算机容量的限制，常采用简化的动力分析模型计算渡槽结构地震反应，例如，把渡槽槽身抽象为集中质量，从而只研究渡槽支架的动力反应；或将渡槽薄壁槽身用通常的实心梁单元进行模拟，不能考虑渡槽槽身薄壁杆件的横向弯扭耦合振动、约束扭转变形等的影响：有的研究采用薄壁梁段单元，但忽略渡槽槽

4、身与水体的动力相互作用。为确保大型渡槽的抗震安全性，对其进行地震反应计算，应采用合适、实用的力学计算模型。本文是河南省高校杰出科研人才创新工程项目(项目编号：2003KYCXOll)和河南省科技攻关项目(项目编号：0224370025)的一部分，作者根据已有研究成果，考虑渡槽结构带水运行、槽身为开口薄壁结构等特点，探讨了大型渡槽结构动力分析模型。借助于作用于刚性储液容器上的液动压力计算方法计算水体作用于渡槽槽身的作用力，考虑渡槽槽身与槽内水体的动力耦合：针对渡槽槽身为开口薄壁结构特性，在探讨渡槽动力模型时考虑槽身的横向位移、竖向位移、纵向翘

5、曲。采用有限单元法将渡槽离散，槽身采用薄壁梁段单元，每个单元节点有郑州大学硕士学位论文8个自由度，每个槽身单元有16个自由度；支架采用空间梁单元离散。运用势能驻值原理推导渡槽槽身单元刚度矩阵，由弹性系统动力学总势能不变值原理推导槽身单元质量矩阵，采用已有研究成果组集槽身阻尼矩阵及槽身与渡槽支架采用盆式橡胶支座的连接刚度，从而确定计算渡槽地震反应的动力模型。该动力分析模型与现有的分析模型相比，不仅考虑了渡槽结构槽体与水体间的流固动态耦合，也考虑了槽身为开口薄壁结构这一特点，与通用大型结构分析程序相比，计算结果良好接近，但该计算模型简单，使用方

6、便，可用于大型渡槽整体结构地震反应分析，是大型渡槽结构较为实用的动力分析模型。渡槽结构的动态特性包括自振频率、振型等。本文根据选用的渡槽动力分析模型，分5种工况计算了南水北调某大型渡槽结构的动态特性。计算结果表明：考虑渡槽槽身与水体的动力相互耦合作用对渡槽结构自振频率影响较大，因此在分析渡槽结构的动力特性时必须考虑槽内水体与槽身的动力相互作用；随着槽内水位的增高，渡槽槽身的各阶自振频率依次递减；考虑流固耦合作用对渡槽槽身各阶振型亦有相应影响，各阶竖向振型是独立的，横向振型与扭转振型耦联；渡槽槽内水体的横向振型与渡槽槽身横向振型同步，当渡槽槽

7、身振型以竖向弯曲为主时，渡槽附联水体横向振型不明显。采用动力时程分析法，利用本文选用的动力分析模型，研究了南水北调中线工程某大型渡槽结构对应5种工况在EL—Centro波、Taft波、Tianjin波、Pasedena波4条地震波同步激振作用下的地震时程反应，从位移及应力2个方面分析了地震对大型渡槽结构的影响。计算结果表明：随着槽内水位的升高，渡槽上部质量增加，横向地震反应位移都逐渐变大，考虑流固耦合时的各跨中点横向位移均小于不考虑流固耦合时的横向位移，说明水体一结构的相互耦合，降低了渡槽结构的地震反应横向位移：横向激振时考虑纵向翘曲对纵向

8、正应力影响比较大，而纵向激振时单元翘曲变形非常小，可以忽略翘曲对纵向正应力的影响；随着水位的升高，槽身截面的纵向正应力、剪应力及翘曲正应力均增大；考虑流固耦合时的纵向正应力、剪应