圆管渡槽抗震计算流体等效简化模型

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1、圆管渡槽抗震计算流体等效简化模型　　摘要：提出了一个圆管渡槽内流体晃动分析的等效简化模型。将圆管渡槽内的水体假定为无黏性、无旋、可压缩及小幅晃动的流体，横向晃动的流体可等效为一个固定质量M0与一个质量-弹簧系统（M1，K1），根据等效原则，即实际的流体系统（采用有限元模拟）与等效模型具有相同的一阶自然晃动（振动）频率，以及对槽身具有相同的作用效应。采用最小二乘算法，通过数值拟合可得到等效模型中固定质量M0、弹簧振子（M1，K1）及其位置的近似计算公式。应用流体等效简化模型和有限元模型分别对某一管线桥流体-结构耦合系统的自振频率与地震反应进行了计算分析，数值算例表明两个模型的计算结果非常吻合，

2、验证了流体等效模型的有效性与适用性，为圆管渡槽支撑结构地震反应分析提供一个简化的流体计算模型，可为渡槽抗震研究者与结构工程师提供参考。　　关键词：圆管渡槽；抗震计算；等效简化模型；流体晃动　　中图分类号：TV672文献标志码：A文章编号：1672-1683（2015）06-1101-04　　Abstract：Inthispaper，asimplifiedequivalentmodelwasproposedtoanalyzethesloshingfluidinthepipelinebridge.Thewatermotioninapipelinebridgeisassumedtobeinvisc

3、id，irrotational，compressible，andlinear（smalldisplacement）.Thetransversesloshingfluidinapipelinebridgecanbesimplified10asafixedrigidmassM0andamass-springsystem（M1，K1）.Accordingtotheequivalencerule，theactualfluid（computedbythefiniteelementmodel）anditsequivalentmodelhavethesamethefirstsloshingfrequenc

4、yandthesameeffectsonthepipe.TheapproximateanalyticalformulaeofthefixedmassM0，mass-springoscillator（M1，K1），anditslocationsinthepipewereacquiredbytheleast-squaresandcurvefittingalgorithms.Thesimplifiedequivalentfluidmodelandfininteelementmodelwereusedtocalculatethefirstnaturalfrequencyandseismicrespo

5、nseofapipelinebridege（fluid-structurecouplingsystem）.Thenumericalresultscalculatedbythetwofluidmodelsagreedwell，whichconfirmedthevalidityandaccuracyoftheequivalentmodel.Therefore，thesimplifiedmodelofsloshingfluidcananalyzetheseismicresponseofthesupportstructureofpipelinebridge，whichcanproviderefere

6、nceofseismicresistancefortheresearchersandstructuralengineers.　　Keywords：pipelinebridge；seismicresponsecalculation；simplifiedequivalentmodel；sloshingliquid　　1概述10　　我国新修订的《水工建筑物抗震设计规范》[1]首次增加了渡槽结构抗震计算与设计的相关条文。在渡槽抗震计算中，如何考虑渡槽内流体晃动以及与结构的相互作用影响是渡槽抗震计算的关键问题[2]。渡槽抗震分析中，水体可按势流（无旋、无黏性）考虑[3-4]，常用的数值分析方法有：（1

7、）有限元法，可分为位移型有限元法[5-6]，压力型有限元法[7]，ALE有限元法[8]；（2）边界元法[9]；（3）有限体积法及有限差分法[10]等。上部结构可按有限元法建模，流体与槽身交接面按滑动边界条件考虑，即：流体与槽体表面的法向位移保持一致，切向位移不加约束。采用数值方法可满足渡槽体系空间三向地震作用分析，但流体数值模型以及流―固边界的处理是一件很复杂的工作，且耗时费钱，不便于实际工程应用。　　为了简