大型渡槽结构抗震计算的模型简化

论文摘要

渡槽结构作为一种重要的水工建筑物,将在我国南水北调工程中发挥重要作用,其抗震问题既具有学术意义,也具有工程意义,同时也具有社会意义。基于此,本文开展了大型渡槽结构抗震计算方面的研究,提出了一种简化计算方法。首先介绍了渡槽结构抗震分析中普遍采用的Westergard附加质量法、Housner弹簧-质量模型及Birbraer附加质量法三种流-固耦合作用理论。以某渡槽为例,计算其槽内无水及槽内有水情况下的自振特性及地震响应,并进行分析比较。其次,采用振动法对地震作用下自由场的动力响应进行了详细研究。本文采用等效线性化方法考虑土体的非线性特性,并将粘性人工边界理论引入自由场的地震响应分析中,探讨了自由场面积的合理取值问题。计算结果表明,当自由场场地长度大于分层土厚度的100倍时,其动力响应趋于稳定,误差不超过5%;当自由场场地长度大于分土层厚度的1000倍时,误差不超过0.5%。再次,以Housner弹簧-质量模型与Penzien多质点桩-土模型为基础,提出一种同时考虑流-固耦合作用与桩-土相互作用的大型渡槽结构抗震计算简化模型,给出了详细推导过程及计算参数的选取方法。最后,采用本文的桩-土简化模型和不考虑桩-土相互作用的刚性基础计算模型,进行了渡槽结构的动力特性及水平地震响应对比分析。计算结果表明,考虑水、桩、土等因素的影响时渡槽结构的自振周期均有所延长。对于位移响应,采用相同的基础时,水的存在会减小槽体的位移而增大槽墩的位移;槽内水体的情况相同时,考虑桩、土的作用后,槽墩的位移会减小,而槽体位移可能增大也可能减小。对于渡槽结构的内力,无论是哪种基础模型,水的存在均会使渡槽结构的内力增加;槽内水体的情况相同时,由桩-土简化模型得到的渡槽结构内力相对较小。即水、桩、土等因素均有助于降低渡槽结构的地震响应。同时,采用桩-土简化模型对拟动力试验模型进行分析,并与试验结果比较,二者基本一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 结构中流-固耦合作用研究介绍
• 1.2.1 流-固耦合作用的线性方法
• 1.2.2 流-固耦合作用的非线性方法
• 1.3 桩-土-结构相互作用研究现状简述
• 1.3.1 动力Winker 地基梁模型
• 1.3.2 弹性地基梁模型
• 1.3.3 弹性连续体模型
• 1.3.4 有限元模型
• 1.4 本文主要工作
• 第2章 槽体上动水压力的简化计算
• 2.1 Westergard 附加质量法
• 2.2 Housner 附加质量法
• 2.2.1 脉冲压力及其等效质量
• 2.2.2 对流压力及其等效质量
• 2.3 Birbraer 附加质量法
• 2.4 算例分析
• 2.4.1 自振特性分析
• 2.4.2 地震响应分析
• 2.5 本章小结
• 第3章 自由场地震响应分析
• 3.1 自由场分析模型
• 3.2 土层参数
• 3.2.1 各质量点质量
• 3.2.2 层间刚度系数
• 3.2.3 阻尼系数
• 3.3 土层质点系的动力方程
• 3.3.1 作用力的表达式
• 3.3.2 动力方程
• 3.4 等效线性化求解
• 3.4.1 土体非线性变形模型
• 3.4.2 求解过程
• 3.5 算例分析
• 3.5.1 自由场面积分析
• 3.5.2 两种阻尼模型的对比分析
• 3.6 本章小结
• 第4章 渡槽结构整体动力方程
• 4.1 桩-土-槽体-水动力相互作用计算模型
• 4.2 相互作用体系动力方程
• 4.2.1 各质点动力方程
• 4.2.2 动力方程的矩阵形式
• 4.3 动力方程参数取值
• 4.3.1 质量矩阵参数
• 4.3.2 刚度矩阵参数
• 4.3.3 阻尼矩阵参数
• 4.4 动力方程求解
• 4.4.1 NEWMARK-β法求解动力方程
• 4.4.2 计算过程
• 4.5 本章小结
• 第5章 算例分析
• 5.1 某渡槽结构抗震分析
• 5.1.1 自振特性分析
• 5.1.2 地震响应分析
• 5.2 简化计算模型与模型拟动力试验结果比较
• 5.3 本章小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录A （攻读学位期间所发表的学术论文目录）
• 附录B （攻读学位期间参加的科研项目）