冷却塔考虑地基—基础—上部结构相互作用的地震反应分析

论文摘要

随着火电厂建设规模的扩大,高度高、直径大的超大型冷却塔在地震时的安全性要求越来越高,确保冷却塔在地震作用下的可靠性运行成为一项重要的课题,对冷却塔进行抗震设计方面的研究有着必要和现实的意义。地基、基础、上部结构是一个统一的有机整体,三者相互联系、相互影响。在传统的抗震设计中,地震反应分析多采用刚性地基假定,计算模型仅考虑上部结构,地震动输入采用自由场的地表地震动。当基础刚度很大而上部结构刚度很小时,这种刚性地基假定是合理的,但当上部结构刚度与基础刚度比较接近时,这种假定对上部结构的反应将产生较大的误差。超大型冷却塔重量巨大,体量庞大,若建造在软土或深厚土层地基之上,再沿用刚性地基假定进行抗震设计,而忽略相互作用的影响,就会和实际情况有较大的出入,对该类建筑物应重视地基-基础-上部结构相互作用的影响。本文对土—结构动力相互作用问题的研究背景、历史现状、分析方法、存在问题进行了系统的总结。以实际工程项目—某火力发电厂超大型冷却塔为研究背景,以大型通用有限元软件ANSYS为平台,建立了刚性地基和考虑地基—基础—上部结构相互作用两种情况下的有限元模型,分别进行了动力特性分析和不同地震动作用下的响应分析；对两种模型动力特性和动力反应的结果进行了对比,探讨了考虑相互作用后的影响；并针对相互作用模型,研究了近断层地震动作用对结构动力反应的影响,本文的主要内容和结论如下：（1）对土—结构动力相互作用问题的研究现状进行了评述；对动力分析的方法、土体与结构的本构关系、无限地基的近似方法等一系列问题进行了总结和归纳。（2）针对本文的工程实例—某火电厂冷却塔,选择了适合于本文进行动力相互作用研究的材料本构关系。上部结构采用线弹性本构模型,下部群桩基础引用了桩土等效复合体模型。应用ANSYS软件分别建立了刚性地基情况下和考虑地基—基础—上部结构相互作用的有限元模型。（3）分别对冷却塔刚性地基模型和相互作用模型进行了动力特性分析。两种模型下冷却塔结构的振型都表现出：局部振型密集、数量多且阶数靠前,整体振型分散且靠后的特点；但考虑相互作用后,结构动力特性的变化：结构频率减小,即自振周期延长,振型发生改变等,整体振型的阶数较刚性地基模型大幅提前。（4）针对冷却塔刚性地基模型,选取了两条地震波,输入一个水平方向的加速度地震动时程进行地震反应分析,得到了位移和加速度的变化规律：X支柱的水平最大位移沿高度逐渐增大,塔筒的水平最大位移沿高度逐渐减小；加速度放大系数变化规律与位移的规律相同；并对不同地震动作用下结构的反应进行对比分析,体现了地震波频谱特性不同对结果的影响。（5）针对冷却塔考虑相互作用模型,选取同样的两条地震波,输入一个水平方向的加速度地震动时程进行地震反应分析,得到了位移和加速度的变化规律：X支柱的水平最大位移沿高度逐渐增大,塔筒的水平最大位移沿高度逐渐增大；加速度放大系数变化规律与位移的规律相同；对不同地震动作用下结构的反应进行了对比分析；重点分析了刚性地基和相互作用情况下结构的地震反应差异,对结果的规律性作了总结和归纳,认为此类构筑物在地震作用下,相互作用的影响不容忽略。（6）在近断层地震动作用下,对冷却塔相互作用模型进行了地震反应分析,通过对不同类型地震动作用下反应结果的对比,发现近断层地震动作用下结构的地震反应明显大于一般场地地震动作用下的地震反应,说明该类构筑物对近断层地震动作用较为敏感。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 冷却塔抗震研究的意义
• 1.2 土—结构动力相互作用的研究背景
• 1.3 上部结构、基础与地基相互作用理论简述
• 1.3.1 上部结构与地基、基础相互作用的概念
• 1.3.2 土—结构动力相互作用研究的发展过程
• 1.4 土—结构动力相互作用的分析方法
• 1.4.1 子结构法介绍
• 1.4.2 整体法介绍
• 1.5 土—结构动力相互作用目前的研究成果
• 1.6 动力相互作用研究中存在的问题
• 1.7 本文的研究目的和内容
• 1.7.1 本文的研究目的
• 1.7.2 本文的研究内容
• 2 土—结构体系动力相互作用分析的基本理论
• 2.1 动力分析平衡方程的建立
• 2.1.1 质量矩阵
• 2.1.2 阻尼矩阵
• 2.2 动力分析的方法
• 2.2.1 直接积分法
• 2.2.2 Newmark-β法
• 2.2.3 振型叠加时程分析法
• 2.3 ANSYS瞬态动力分析模块介绍
• 2.4 土体、结构本构关系的确定
• 2.4.1 土体的本构关系
• 2.4.2 横观各向同性体的本构关系
• 2.4.3 结构的本构关系
• 2.5 无限地基的近似方法
• 2.5.1 粘弹性人工边界
• 2.5.2 无质量地基模型
• 2.6 本章小结
• 3 地基—基础—冷却塔结构相互作用有限元模型的建立
• 3.1 工程背景
• 3.2 上部结构的模型
• 3.2.1 基本资料
• 3.2.2 上部结构模型的建立
• 3.2.3 上部结构模型单元和材料参数的选取
• 3.3 地基基础模型
• 3.3.1 工程地质概况
• 3.3.2 下部地基基础模型的建立
• 3.3.3 地基基础模型单元和参数的选取
• 3.4 本章小结
• 4 结构体系的动力特性分析
• 4.1 引言
• 4.2 模态分析概述
• 4.2.1 模态分析的基本概念及意义
• 4.2.2 结构动力学基本方程及求解
• 4.3 冷却塔结构的模态分析
• 4.3.1 ANSYS软件的模态分析
• 4.3.2 计算模型
• 4.4 结构模态分析结果
• 4.4.1 刚性地基情况下模态分析结果
• 4.4.2 考虑相互作用情况下的模态分析结果
• 4.4.3 模态对比分析结果
• 4.5 本章小结
• 5 刚性地基情况下的地震反应分析
• 5.1 地震波的选取及输入
• 5.1.1 地震波的选取与调整
• 5.1.2 本章选取的地震波
• 5.2 结构的地震反应分析
• 5.2.1 塔筒、X支柱X、Y轴线节点位移时程分析
• 5.2.2 塔筒、X支柱X、Y轴线节点加速度时程分析
• 5.3 本章小结
• 6 地基—基础—上部结构相互作用情况下的地震反应分析
• 6.1 相互作用模型及地震波的输入
• 6.2 结构的地震反应分析
• 6.2.1 塔筒、X支柱X、Y轴线节点位移时程分析
• 6.2.2 塔筒、X支柱X、Y轴线节点加速度时程分析
• 6.3 相互作用情况下与刚性地基情况下计算结果对比分析
• 6.3.1 节点最大位移对比分析
• 6.3.2 加速度放大系数对比分析
• 6.4 本章小结
• 7 近断层地震动对冷却塔地震反应的影响分析
• 7.1 引言
• 7.2 近断层地震的定义与特征
• 7.3 台湾集集近断层地震动记录
• 7.4 计算结果分析
• 7.5 本章小结
• 8 结论与展望
• 8.1 本文的研究成果及结论
• 8.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录