考虑多因素影响渡槽动力模型建立探究

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1、考虑多因素影响渡槽动力模型建立探究【摘要】本文将对动力模型建立过程中需要考虑的计算范围的选取、流固耦合作用、预应力的施加、盆式支座模拟、临跨荷载的施加方式和地震动的输入等多种影响因素做总结分析研究。【关键词】渡槽；多因素；模型1引言渡槽结构是一种较为复杂的水工建筑物，槽身属于开口薄壁结构，承受大质量水体作用，而槽墩一般为空心墩、实体重力墩或支架结构，二者之间用橡胶支座弹性元件连接。本次研究将采用弹簧质量系统来模拟三槽一联大型渡槽结构水体的动力作用，此法既考虑了流固耦合作用的影响，其实现手段又不会很复杂。严格来说大型渡槽的动力分析应综合考虑槽内水体与槽体的动力相互作用，盆式支座力学性能

2、的合理模拟、槽墩与地基的动力相互作用以及无限地基的影响等因素。2动力分析原则渡槽结构抗震计算方法应遵循既能客观评价渡槽结构的实际抗震能力，而分析方法和实现手段又不能太复杂，能够简单灵活的运用于实际的设计过程当中。这也是本次研究建立大型渡槽三维有限元动力模型的原则。73计算范围的选取对于跨度不大，跨数不多的小型渡槽在计算机容量和计算机时允许的情况下，宜整体建模，此种建模方式能够更好的模拟相邻跨的结构影响；而对于大型的渡槽结构，应在分析各跨受力条件，合理模拟临跨荷载以及质量、刚度影响的情况下取单跨或多跨进行分析。通常是通过将临跨结构重量的一半施加在所建单跨渡槽模型的一端来模拟临跨结构的影

3、响。在取单跨或多跨代替整体结构来进行分析前应综合分析渡槽结构各单跨跨度、墩柱高度以及地基情况的差异，来判断选取模型的合理性。作者认为对于跨度相同、墩柱高度差别不大，地基情况差异性较小的渡槽结构采用单跨模型来代替整体结构的方法是合理可行的。对于考虑临跨槽身结构影响的模型亦将槽身和槽墩整体建模，以便于临跨结构荷载的施加。3.1水体的模拟渡槽中水体重量往往达到或超过结构的自重，地震作用引起结构的晃动，从而引起水体的振荡，而水体震荡又会影响结构稳定和内力重分布，这种流体与结构之间的动力相互作用对结构的地震反应将产生显著的影响。水体—槽体相互作用问题属于结构动力学中的流固耦合振动问题。7考虑槽

4、内水体与槽体的动力相互作用，其实就是涉及水体简化的方法问题，目前考虑流固耦合作用槽体内水体简化的方法大体上分两种：一种是线性方法，把水体当作附加质量作用在渡槽结构上，与槽体一起进行动力研究，如Housner水体简化模型、附加质量模型，另一种就是非线性方法，研究流体非线性晃动对槽体的影响，如边界元法和任意拉格朗日欧拉（ALE型）有限元法等。系统模拟水的作用，该系统在ANSYS软件中通过选用Combine与Mass两种不同的单元分别模拟弹簧和质量。Combine又称为弹簧-阻尼单元,该单元由两个节点构成，实常数包括弹性系数K和阻尼系数Cv两项，单元本身没有质量，但是可以通过添加合适的质量

5、单元实现，单元中的弹簧和阻尼特性可同时使用也可单项使用，本文所用模型即单项使用了该单元的弹簧特性，忽略了阻尼特性。3.2预应力的施加在渡槽的整体结构分析中，预应力钢绞线起着关键作用，如何对预应力钢绞线进行模拟是渡槽模型建立过程中的一个重点问题。(1)预应力筋的施加方式目前利用大型有限元软件能较准确、方便的进行预应力钢筋混凝土结构分析，分析模型主要有分离式和整体式。7初始应变法也是并不过多的考虑预应力钢绞线的具体位置，而只是保证在有预应力的位置具有一个平面，从而在网格划分时，能保证在该平面有足够多的节点。最后通过编制程序自动将钢绞线单元施加于混凝土单元中间，再通过设置钢绞线单元(Lin

6、k8)的实常数确定单元的初始应变，程序自动通过材料特性(E-ε)将初始应变转化为初始应力，从而完成预应力钢绞线的模拟。(2)预应力筋的模拟计算方法及各自的优缺点利用大型有限元软件ANSYS对预应力混凝土结构进行分析可采用等效荷载法和整体力筋法。等效荷载法优点是建模简单，不必考虑力筋的具体位置而可直接建模，网格划分简单，对预应力作用下整体效应比较容易求得；缺点是在外荷载作用下的共同作用难以考虑，不能确定力筋在外荷载作用下的应力增量。由于计算精度与网格的疏密有很大关系，其最大的缺点是得到的结果与实际情况相差很大。本文在综合考虑各种方法优缺点、计算精度及求解时间要求的基础上，最终采用整体式

7、方法进行建模。该方法在分析钢筋和混凝土之间的相互作用的微观机理方面有突出优势。3.3盆式支座的模拟盆式支座是连接槽身与下部槽墩的重要构件，在用有限元软件进行模拟分析过程中一般是将盆式支座作为弹簧单元或是短梁单元进行处理，对于它的动力性能目前还缺乏系统研究。7本文在建立大型渡槽有限元模型的过程中是通过采用弹簧单元来模拟支座类型的。利用ANSYS建立模型时，分别采用Combin40单元模拟X，Y向（水平向）弹簧作用，Combin14单元模拟Z向（竖向）弹簧作用