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水利工程论文-大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式.doc

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水利工程论文-大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式.doc

水利工程论文-大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式摘要:利用弹性体与流体位移运动方程的相似性,将弹性体有限元模式直接用于流体有限元计算,使得整个渡槽流—固耦合系统具有统一的有限元计算模式。数值计算表明,这种流体有限元模式计算简便,易于工程应用,具有较好的计算精度,满足工程计算的要求。关键词:大型渡槽抗震分析流体位移有限元我国目前在建的广东省东江—深圳供水改造工程建有3座大型渡槽,其设计流量为90m3/s,是目前国内在建的流量最大的渡槽,已经开工的南水北调工程将有更多的、流量更大的大型渡槽,这些大型渡槽都面临着同一个问题——结构抗震,如何评估地震对渡槽结构的作用与影响,是渡槽结构设计中的重要问题。大型渡槽中水量大,流体重量与结构重量相当或甚至超过结构重量,在地震及脉动风作用下,槽内水体的大质量运动会对渡槽结构的动力特性及地震、脉动风反应产生重要影响,因此流体的作用是不可回避且必须加以考虑的问题。渡槽体系振动时,流体会伴随着结构的振动而产生晃动,反过来流体的晃动又将对结构的振动产生影响,这是一个较为复杂的流体—结构相互作用问题。在渡槽抗震计算中,采用的有限元法有两类计算格式:一种以流体压力(或流体速度势)为待求未知量[1],利用流体运动方程与结构弹性体运动方程的相似性[2],可得到与结构有限元格式相一致的流体有限元计算模式,但由于结构通常采用位移模式,使得结构面上位移与压力协调关系不易处理;另一种有限元模式[3]以流体位移为待求未知量,流体与结构均为位移计算格式,流—固交接边界易于处理,容易应用标准的有限元程序,适用面广,适合于复杂渡槽结构—流体的相互作用问题,但位移模式待求未知量的个数多于压力模式,占用的计算机内存较多,且容易产生伪模态,当然目前的微型机内存可配得足够的大,可满足绝大多数的工程计算问题,至于伪模态可通过数值处理方法加以克服[3]。渡槽抗震计算一般情况要计算两个水平方向(横向和纵向)及一个竖直方向的地震作用,在横向与竖向,槽身结构与流体在正法向发生相互作用,这种法向相互作用对结构与流体的运动具有很大的影响,而在纵向,槽身与流体仅在切向发生相互作用,如果水体假设为理想流体(无粘性),则槽身与水体之间并不传递剪力,无相互作用,事实上,水体的粘性很小,槽身与流体在交接面(边界层)的切向相互作用可忽略不计。只有横向水平地震、竖向地震作用下,才有必要考虑流体与结

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