水电站岸塔式进水塔结构影响动态响应因素分析

论文摘要

进水塔是一种体型结构、边界条件和受力情况比较复杂的水工建筑物,一般采用钢筋混凝土薄壁空腹式结构,建在靠近岸边的水库中,顶部用工作桥与河岸连接,其外围四周皆承受水压力,进水塔在地震作用下的安全十分重要。以前对进水塔高耸结构的地震分析中,对于结构与起支撑作用的地基及山体的相互作用,研究很少,往往是将塔体与周围的建筑物和山体分离,仅仅采用弹簧来模拟周围结构的作用,这就更加简化了周围建筑物的作用。而在低周往返地震荷载作用下,塔背与回填砼间、底板与地基间薄弱面张开、闭合、滑移过程会引起应力释放和导致应力的调整和重新分布,对动力相互作用体系的地震响应有影响,本文引入动态接触单元,采用非线性时程法进行数值仿真试验,针对进水塔动态响应的几个影响因素分别进行讨论,得到了一些定性的规律性的认识。本文的主要研究成果如下：(1)总结了现有的进水塔抗震稳定性分析方法,针对在实际地震荷载作用过程中,塔体与地基、山体间的动力相互作用,在塔体与岸坡、地基间等受力薄弱位置处引入动态接触单元,以此更真实地模拟该薄弱位置处动态张开、滑移、闭合的碰撞过程；(2)通过数值试验,研究得出了地基刚度、上部结构刚度、结构高宽比、关键点高程等因素对动力相互作用体系自振频率、位移、振动速度、加速度等动力特性及动态响应的有意义的影响规律；(3)通过数值试验,研究得出了地基刚度、上部结构刚度、结构高宽比、关键点高程等因素对动力相互作用体系中动态接触单元张开度、接触压力等动态响应的有意义的影响规律；(4)将采用动态接触单元以更真实反映塔体与地基、山体间的动力相互作用的的模拟方法应用到实际工程中,以5.12地震中紫坪铺水利枢纽1#泄洪塔抗震稳定性分析为例,较为详细的介绍了该方法的应用过程及分析步骤,研究成果对设计具有指导和参考作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 理论意义
• 1.3 进水塔的结构型式和特点
• 1.4 进水塔稳定性分析的一般方法和假设
• 1.5 高耸结构动力分析法的发展现状
• 1.6 接触问题研究综述
• 1.6.1 发展历史简介
• 1.6.2 数值模拟方法
• 1.7 本文的研究思路、内容
• 1.7.1 研究思路
• 1.7.2 研究内容
• 2 数值仿真分析试验理论
• 2.1 引言
• 2.2 地震反应分析方法及其基本理论
• 2.3 瞬态非线性功能的实现
• 2.4 动接触理论
• 2.4.1 控制方程及基本假定
• 2.4.2 接触条件
• 2.4.3 接触状态
• 2.4.4 接触问题中的Hamilton原理
• 2.4.5 接触问题求解的一般过程
• 3 数值分析方案及数值模型确定
• 3.1 引言
• 3.2 数值分析方案确定
• 3.2.1 地基刚度参数选取
• 3.2.2 上部结构参数选取
• 3.2.3 接触面力学参数选取
• 3.2.4 结构高宽比（H/L）
• 3.2.5 数值分析方案
• 3.3 数值分析模型确定
• 3.3.1 阻尼
• 3.3.2 计算模型
• 3.3.3 塔基地震荷载
• 3.3.4 动水压力
• 3.3.5 对比分析
• 4 影响动态特性及响应因素规律性分析
• 4.1 引言
• 4.2 质点振动频率影响规律分析
• 4.2.1 地基模量、上部结构刚度—结构自振频率规律
• 4.2.2 地基模量、结构高宽比—结构自振频率规律
• 4.3 质点振动位移影响规律分析
• 4.3.1 塔体关键点高程、地基刚度—质点位移规律
• 4.3.2 地基刚度、上部结构刚度—质点位移规律
• 4.3.3 地基刚度、结构高宽比—质点位移规律
• 4.4 质点振动速度影响规律分析
• 4.4.1 塔体关键点高程、地基刚度—质点振动速度规律
• 4.4.2 地基刚度、上部结构刚度—质点振动速度规律
• 4.4.3 地基刚度、结构高宽比—质点振动速度规律
• 4.5 质点振动加速度影响规律分析
• 4.5.1 塔体关键点高程、地基刚度—质点振动加速度规律
• 4.5.2 地基刚度、上部结构刚度—质点振动加速度规律
• 4.5.3 地基刚度、结构高宽比—质点振动加速度规律
• 4.6 接触面张开度影响规律分析
• 4.6.1 接触单元关键点高程、地基刚度—质点张开度规律
• 4.6.2 地基刚度、上部结构刚度—质点张开度规律
• 4.6.3 地基刚度、结构高宽比—质点张开度规律
• 4.7 接触压力影响规律分析
• 4.7.1 接触单元关键点高程、地基刚度—接触压力规律
• 4.7.2 地基刚度、上部结构刚度—接触压力规律
• 4.7.3 地基刚度、结构高宽比—接触压力规律
• 4.8 本章小结
• 5 工程实例
• 5.1 引言
• 5.2 工程概述
• 5.2.1 紫坪铺水利枢纽工程概况
• 5.2.2 1#泄洪洞进水塔概况
• 5.3 有限元离散模型
• 5.4 塔基地震荷载
• 5.4.1 5.12地震荷载
• 5.4.2 采用100年超过概率2%样本曲线
• 5.5 5.12地震荷载作用下泄洪塔动力稳定性分析
• 5.5.1 动态位移响应分析
• 5.5.2 动态应力响应分析
• 5.5.3 接触分析
• 5.6 100年超越概率2%地震荷载作用下泄洪塔动力稳定性分析
• 5.6.1 动态位移响应分析
• 5.6.2 动态应力响应分析
• 5.6.3 接触分析
• 5.7 不紧密接触整体稳定性评价
• 5.7.1 抗滑稳定性
• 5.7.2 抗倾覆稳定性
• 5.8 小结
• 6 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 7 致谢
• 8 参考文献
• 附录