考虑流固耦合的箱形倒虹吸动力特性研究.pdf

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1、第33卷第7期人民黄河Vo1．33．No．72011年7月YELLOWRIVERJu1．．2011【水利水电工程】考虑流固耦合的箱形倒虹吸动力特性研究王慧，赵洋，李晓克(华北水利水电学院，河南郑州450011)摘要：结合南水北调中线工程穿南沙河倒虹吸结构，建立了考虑流固耦合的箱型倒虹吸动力分析有限元模型，基于子空间法，对不同过水X-况和地质条件下结构的动力特性进行了分析。结果表明：倒虹吸过水情况和地基土均匀性对结构自振频率和振型有显著影响；结构埋置深度对其自振特性有较为显著的影响，埋深越浅，前阶主频率越大，振型改变越明显；土层分布越均匀，土壤黏聚力越大，结构

2、的自振频率越小，振动形态越稳定；可通过调整管体过水量和换填土层改善结构动力特性。关键词：动力特性；流固耦合；附加质量法；自振频率；振型；箱形倒虹吸中图分类号：TV672．5文献标识码：Adoi：10．3969／j．issn．1000—1379．2011．07．051StudyontheDynamicCharacteristicsofBox-ShapedInvertedSiphonwithFluid-StructureCouplingWANGHui，ZHAOYang，LIXiao—ke(NorthChinaUniversityofWaterResourcesa

3、ndElectricPower，Zhengzhou450011，China)Abstract：CombinedwithNanshaRiverinvertedsiphonofMiddleRouteofSouthtoNoahWaterTransferP叫ect，aFEMdynamicanalysismodelfortheinvertedsiphonwasmadeconsideringfluid—structurecoupling．Basedonsubspaceme~od，thedynamiccharacteristicsindifferentloadca—ses

4、andgeologicalconditionswereanalyzed．Itisshownthatthefrequenciesandthemodesoftheinvertedsiphonareobviouslyinfluencedbythewatersituationandthefoundationsoftuniformity．Theburieddepthhasgreateffectonthestructuralnaturalvibration，i．e．themoreshallowtheburieddepthis，thegreaterthefrontfreq

5、uenciesare．Therelativemodeschangemoreobviously．Ifthesoillayersarebetterdistributedandthesoilcohesionsaregreater，thenaturalvibratingfrequenciesarelessandthevibratingshapesaremorestable．Therefore，thedynamiccharacteristicscanbebetteredbywater-adjustingandsoil—replacing．Keywords：dynami

6、ccharacteristics；fluid—structurecoupling；additivemassmethod；naturalvibratingfrequency；vibratingshape；box-shapedin—vertedsiphon南水北调工程是调节我国水源分配、缓解北方水资源匮乏Mw()=7(1)的重大工程，其中涉及了大量穿越地震设防地区的倒虹吸结构。该类地下结构工况种类多，所处地区地质条件复杂，为维式中：(z)为距离水面z处的附加质量；为计算点到水面的距离；为倒虹吸管内水深；p为水的密度；71为折减系数。护其运营安全，对其进行多因素影

7、响下的抗震性能分析具有重附加质量法是基于半无限大水域得出的，在应用于有限水要意义。笔者以穿南沙河大型箱形倒虹吸为分析对象，建立了通过附加质量考虑流固耦合的三维有限元模型I4，并采域时需乘以折减系数叼，其取值见表1。表1有限宽度水域时附加质量的折减系数用子空间迭代法提取模态，研究动水压力、地质条件等因素对结构动力特性。的影响。1附加质量法地震作用下，大型输水结构受动水压力的作用。采用动力注：B／h为宽深比，B为水面宽度。法进行抗震计算时，动水压力可用固结在迎水面上的附加质量单元进行简化J。附加质量法由Westergaard提出，他求解了收稿日期：2011—04

8、-25刚性重力坝在水平地震荷载作用下的附加动水压力分