大型预应力渡槽考虑流固耦合的动力特性分析

论文摘要

南水北调中、西线工程中,渡槽是一种重要的输水建筑物,仅中线总干渠就有40多座,其流量、水深、水荷载、跨径之大均居世界前列,且大部分位于高烈度（大于7度）高发地震区。渡槽水体集中在建筑物顶部,地震时巨大水体与槽体的耦合作用对其安全极为不利。近年来随着这种大型渡槽的广为应用,对考虑水体影响的渡槽在地震作用下的动力响应研究成为热点课题。鉴于目前流-固耦合的非线性振动研究还限于二维情况,对此类大型空间结构,建立三维条件下能够考虑水体线性晃动的流-固耦合三维动力模型,开展对大型多跨预应力渡槽的空间动力分析,研究其空间自振模态和地震时程响应,以及地震晃动水体与巨型槽身的动力耦合作用是十分必要的。这是本课题研究的第一个关键问题。小型渡槽一般不需要采用预应力技术,有限的动水压力和槽体应力改变不会影响渡槽的安全性,规范方法满足要求。而大型渡槽多采用三维预应力结构,大幅水体晃动作用将引起动水压力和槽体应力的显著改变,极大程度影响预应力钢筋布置的合理性和有效性。对此大型三维预应力渡槽及其新结构型式,以往的渡槽设计理论落后于工程实践的问题已经很突出,迫切需要开展三维预应力结构的动力特性研究以适应工程实际需求。这是本课题研究的第二个关键问题。本文就上述两关键问题开展了以下几方面工作:（1）借鉴作用于刚性储液容器上液动压力的计算方法模拟地震影响下晃动水体对于渡槽槽身的作用力,建立基于Housner理论的大型预应力渡槽流-固耦合空间动力分析模型;（2）在此模型中,进行“渡槽槽体-晃动水体-三维预应力钢绞线”复杂动态结构体系的模拟研究,提出了“整体模型分割化”的网格划分思想:采用“弹簧质子系统”模拟晃动水体,应用APDL编程实现预应力钢绞线的精确模拟;（3）对此动力模型,编写模态分析程序,计算了南水北调中线洺河渡槽四种工况下前10阶模态以及槽内水体、预应力钢绞线对结构动力特性的影响;（4）建立大型三维预应力渡槽结构的流-固耦合地震反应分析路径,计算了渡槽在同步激励作用下的地震时程响应,并进行了地震荷载作用下的强度和刚度校验。实例分析表明,本文提出的动力模型建模简单,可在较短的时间内得到相对精确的结果,可应用于实际工程;本文方法为大型预应力渡槽流-固耦合动力分析开辟了一个新途径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 抗震理论发展概述
• 1.3 国内外研究历史与现状
• 1.3.1 引言
• 1.3.2 渡槽结构流固耦合动力建模及动力特性研究
• 1.3.3 预应力作用的渡槽动力计算研究
• 1.3.4 结构非线性地震响应分析
• 1.3.5 隔震耗能减振技术研究
• 1.4 本文所做的工作
• 1.5 本章小结
• 第二章 考虑流固耦合的动力模型
• 2.1 引言
• 2.2 流固藕合动力模型的简化计算方法
• 2.3 结构动力有限元法
• 2.3.1 动力有限元方程的建立
• 2.3.2 单元刚度矩阵的生成
• 2.3.3 单元质量矩阵的生成
• 2.3.4 阻尼矩阵的讨论
• 2.4 APDL程序编制
• 2.4.1 ANSYS程序简介
• 2.4.2 APDL程序的编制
• 2.5 渡槽有限元模型
• 2.5.1 引言
• 2.5.2 物理模型及有限元模型的建立
• 2.5.3 预应力钢绞线的模拟
• 2.5.4 水模拟的研究
• 2.5.5 边界条件
• 2.6 ANSYS动力分析过程
• 2.6.1 瞬态动力分析的定义
• 2.6.2 瞬态动力学分析方法
• 2.6.3 瞬态动力学分析过程
• 2.7 本章小结
• 第三章 渡槽结构模态分析
• 3.1 引言
• 3.2 大型渡槽模态求解
• 3.3 计算结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 大型预应力渡槽地震反应分析
• 4.1 引言
• 4.2 地震波的选取
• 4.2.1 引言
• 4.2.2 地震波的选取
• 4.2.3 地震荷载的施加
• 4.3 渡槽地震反应位移分析
• 4.4 渡槽地震反应应力分析
• 4.5 本章小结
• 第五章 回顾与展望
• 5.1 本文的主要工作和研究成果
• 5.2 需要进一步研究的工作
• 参考文献
• 致谢
• 个人简介及在校期间参研的课题及发表的论文