大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式论文

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1、大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式论文摘要：利用弹性体与流体位移运动方程的相似性，将弹性体有限元模式直接用于流体有限元计算，使得整个渡槽流—固耦合系统具有统一的有限元计算模式。数值计算表明，这种流体有限元模式计算简便，易于工程应用，具有较好的计算精度，满足工程计算的要求。关键词：大型渡槽抗震分析流体位移有限元我国目前在建的广东省东江—深圳供水改造工程建有3座大型渡槽，其设计流量为90m3/s.freel-1·s。(6)流—固耦合交界面的处理：交界面上同一位置，一般应设置两个节点，一个用于流体、另一个用于结构弹性体，交界面两个节点法向处的位移强制保持协调一致，即满足式(

2、8)，而两个节点的切向位移不作约束，允许相对滑动，即为可滑动边界条件。4数值算例4.1矩形槽身以文献6中的算例为例，取矩形槽内静止水截面宽度为8.0m，高度为6.0m，槽身长度为12.0m，流体质量密度为ρL=1000kg/m3，采用边界元法6，将水体假设为不可压缩的流体，得到槽内水体横向第一阶晃动频率为0.3087Hz。采用位移格式的有限元法，在纵向仅取2.0m长度的水体(图1)，流体的粘性系数取为零，流体体积压缩模量按实际取为K=2.067×109Pa，水体的边界采用滑动边界，计算得到的槽内水体横向第一阶晃动模态见图1，晃动频率为0.3041Hz，有限元与边界元的结果

3、，相对误差仅为1.5%，两者结果非常接近，注意到流体的晃动频率与其体积压缩模量的大小无关，仅与重力加速度及横截面的尺寸有关。图2表示了流体在ELCentro(N-S)地震波作用下(峰值加速度为3.417m/s2)对槽身(按槽身长度为12.0m计算)水平剪力的时间历程，图中分别采用了两种计算方法，可以看出，有限元法与边界元法两个结果在总的时间域上相当一致，其最大反应值亦极为接近，边界元解为

4、Fl

5、max=1298.0kN，有限元解为

6、Fl

7、max=1311.7kN。4.2U形槽身以广东省东江—深圳供水改造工程中的U型渡槽为例7，图3为流体在槽内的一阶横向晃动模态，流体—结构

8、边界采用滑动边界，有限元计算槽内水体晃动首阶频率为f=0.3224Hz，边界元计算结果为f=0.3413Hz，两者相当接近，相对误差为5.5%。槽身长度取为12m，图4为场地人工地震波横向作用下，有限元及边界元两种方法计算得到的流体对槽身的水平地震作用时程曲线，由图4可看出，两个时程曲线相当接近，边界元法得到的最小、最大水平剪力分别为-109.22kN及119.95kN；有限元法得到的最小、最大水平剪力分别为-115.25kN及126.01kN，反应的峰值结果也相当接近。图3U形槽内水体有限元模型及横向第一阶晃动模型图4流体对U形槽身的水平地震作用时程曲线以上计算误差的来

9、源，除了计算模式不同导致的误差外，另一个来源是边界元法将水体假设为不可压缩，而有限元一般考虑水体为可压缩，更接近于实际情况。流体U形槽身的计算误差要大于矩形槽身的，原因是：(1)U形槽身水体单元划分得较粗；(2)U形槽身曲线滑动边界处理有一定的近似性。以上的计算表明，采用位移格式的有限元计算结果是可信的，满足工程抗震分析要求。作为实际应用，作者采用上述的流体有限元模型，分析了东江—深圳供水改造工程中3种不同形式渡槽的地震反应，详见文献7。5结论利用弹性体与流体位移运动方程的相似性，将弹性体有限元模式直接用于流体有限元计算，使得整个流—固耦合系统具有统一的有限元计算模式，抗

10、震计算简便，易于工程应用，具有较好的计算精度，满足工程计算的要求。参考文献：1EvertineGC.FiniteelementformulationsofstructuralacousticsproblemsJ.puterStructures,1997,65(3):307-321.2EvertineGC.StructuralanalogiesforscalarfieldproblemJ.Int.J.Numer.Meth.Engng.1981,(17):471-476.3ChenHC,TaylorRL.Vibrationanalysisoffluidsolidsystem

11、susingafiniteelementdisplacementformulationJ.Int.J.numer.Meth.Engng,.freelentProceduresM.NewJerseyPrenticeHallPress,1996.6李遇春，楼梦麟.强震下流体对渡槽槽身的作用J.水利学报，2000，(3)：46-52.7楼梦麟，李遇春，潘旦光，任志刚.东深供水改造工程渡槽结构抗震安全性研究报告R.同济大学土木工程防灾国家重点实验室，2001年12月.