带自由面水体的结构地震反应分析方法及应用

论文摘要

工程中有许多结构含有大量的水体,如水塔、渡槽、水池、储液罐以及带有较大水箱的建筑物等。地震作用下,这些带有自由表面水体的结构(在本文中简称含水结构)的动力反应是由地震激励和水体晃荡共同决定的。因此,含水结构的地震反应研究是涉及到工程结构抗震和计算流体动力学(CFD)等多个学科的交叉。实际应用中,由于涉及到较为复杂并且很难精确模拟的水体晃荡问题,目前一般是将水体完全固结在结构上或采用一些简化模型来模拟水体晃荡对结构地震反应的影响。然而,大量的研究成果表明:将水体完全固结在结构上会夸大水体的地震惯性力;而简化模型只对某些特定水深和规则形状的容器有效。本文以实际工程为背景,针对本领域急需解决的几个问题,采用理论分析、数值模拟、振动台试验相结合的研究方法,进行了以下几方面的工作:(1)提出了应用计算流体动力学商业软件模拟水体晃荡的方法,并用数学实验和模型试验验证了该方法的正确性。该方法可以考虑真实水体的粘性、湍流流动和水体表面的大变形,能模拟各种复杂形状的容器,是一种适合于结构工程研究人员的可准确模拟水体晃荡的方法。(2)对于带有自由水面容器的结构,本文对容器固定在楼层上和悬挂于楼层下的情况分布建立了两个动力分析模型。在这两个模型中,FLUENT软件被用于计算水体晃荡,用户自编的C语言程序被用于分析结构运动,FLUENT软件提供的用户自定义函数(UDF)被用于传递水体与结构之间的数据。(3)进行了悬挂水箱的振动台模型试验研究。由试验得到水箱的位移和加速度时程曲线;运用所建立的动力分析模型模拟计算水箱的运动并得到了数值模拟的位移和加速度时程曲线。经比较,模型数值计算得到的结果与实测的结果吻合较好,从而验证该分析模型的正确性。(4)通过研究改变水体运动状态与改变同质量的固体运动状态所需作用力的关系,提出了晃荡水体等效质量的概念。研究表明:晃荡水体等效质量是水体改变运动状态时的一种特有属性,它仅与水体所在容器的形状和水体的液面高度有关,与所受作用力的大小和改变运动状态所用的时间长短无关。模型试验和数值计算研究结果表明:用晃荡水体等效质量代替水体质量来计算结构的自振周期是一种较准确可靠的方法。根据晃荡水体等效质量的概念,推导出悬挂水箱摆动周期的简化计算公式。比较简化公式与CFD计算结果显示二者吻合地很好。(5)用本文所建的动力分析模型对一个带有位置可改变的假底的海洋深水试验池和一个椭球形水塔的地震反应进行了数值计算分析,分析结果显示出水体晃荡对含水结构的地震反应有较大的影响。另外,对影响含水结构地震反应的一些参数进行了研究。(6)提出了一种新型减振耗能水箱模型。它带有两个可调整角度的隔板,通过调整隔板角度能使水箱内水体的自振周期在一定的范围内变化,同时又能有效提高水箱的阻尼。从理论分析和数值计算两方面说明了该新型减振耗能水箱的减振效果比普通的TLD水箱好。对地震和风荷载作用下TLD的减振效果不同的原因进行了分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题背景及其理论与实际意义
• 1.2 研究水体晃荡的方法
• 1.2.1 数值分析方法
• 1.2.2 试验研究方法
• 1.3 含自由面水体的结构抗震分析的主要内容与现状
• 1.3.1 与地面一起运动的含水容器地震作用下动力反应研究
• 1.3.2 支撑在地面以上的含水容器地震作用下动力反应研究
• 1.4 商业软件的应用
• 1.5 在结构工程中分析液体晃荡问题有待解决的几个问题
• 1.6 论文的主要研究内容
• 第二章 计算流体动力学的基本原理
• 2.1 粘性流动的基本方程
• 2.1.1 质量守恒定律――连续方程
• 2.1.2 动量守恒定律――Navier-Stokes 方程
• 2.1.3 非惯性坐标系中Navier-Stokes 方程的表达式
• 2.2 标准k-ε两方程模型简介
• 2.3 壁面函数法
• 2.4 有限体积法及其数值计算方法
• 2.5 计算流体动力学的求解过程
• 2.6 水体晃荡影响结构地震反应的方式
• 2.7 本章小结
• 第三章 FLUENT 分析水体晃荡的方法及其应用
• 3.1 FLUENT 软件简要介绍
• 3.2 限制应用FLUENT 分析结构中水体晃荡的主要因素
• 3.3 用FLUENT 分析水体晃荡问题的基础
• 3.3.1 FLUENT 提供的计算模型
• 3.3.2 非惯性坐标系下的Navier-Stokes 方程
• 3.3.3 FLUENT 提供的用户自定义函数（UDF）
• 3.3.4 FLUENT 的控制文件
• 3.3.5 用FLUENT 模拟水体晃荡的实现
• 3.4 用FLUENT 分析水体晃荡的模型验证
• 3.4.1 等加速度直线运动的水体
• 3.4.2 矩形水箱基本自振周期
• 3.4.3 试验验证
• 3.5 假底位置对水池中水体地震反应影响的数值分析
• 3.5.1 工程简介
• 3.5.2 计算条件
• 3.5.3 计算结果及分析
• 3.6 本章小结
• 第四章 含水容器固定在楼层上的结构动力分析模型
• 4.1 引言
• 4.2 用逐步积分法求解结构运动方程
• 4.3 含水结构运动方程求解与验证
• 4.3.1 运动方程求解
• 4.3.2 与试验结果比较
• 4.4 椭球形水塔的地震反应分析
• 4.4.1 工程概况
• 4.4.2 计算简图和基本假定
• 4.4.3 椭球形水塔的地震时程反应分析
• 4.5 晃荡水体等效质量及其在工程中的应用
• 4.5.1 晃荡水体等效质量
• 4.5.2 用晃荡水体等效质量确定含水结构的自振周期
• 4.6 影响含水结构地震反应的因素
• 4.6.1 水箱形状对水塔结构地震反应的影响
• 4.6.2 结构的自振周期和含水量对水塔结构地震反应的影响
• 4.6.3 楼层数和含水量对水塔结构地震反应的影响
• 4.7 本章小结
• 第五章 含水容器悬挂在楼层下的结构动力分析模型
• 5.1 引言
• 5.2 模型运动方程及其求解
• 5.3 数值实验验证
• 5.4 模型试验验证
• 5.4.1 试验模型及试验设备和仪器
• 5.4.2 测点布置
• 5.4.3 试验参数
• 5.4.4 试验与数值计算结果的比较与分析
• 5.5 有悬挂水箱的结构地震反应分析
• 5.5.1 悬挂水箱摆动周期的研究
• 5.5.2 地震反应分析
• 5.6 本章小结
• 第六章 一种新型减振耗能水箱模型的地震反应分析
• 6.1 引言
• 6.2 水箱减振耗能原理分析
• 6.2.1 频率比和相位差的影响
• 6.2.2 能量耗散的本质
• 6.3 新型减振耗能水箱模型
• 6.3.1 计算模型
• 6.3.2 隔板角度对水体自振周期的影响
• 6.3.3 隔板角度对水体耗能的影响
• 6.3.4 地震反应分析
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 本论文结论
• 7.2 本论文创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间论文发表情况和参加科研工作
• 致谢
• 个人简历