基于NASTRAN分析的大型薄壁钢结构筒体与桩-土相互作用.doc

合肥工业大学硕士学位论文基于NASTRAN分析的大型薄壁钢结构筒体与桩-土相互作用姓名：徐勇申请学位级别：硕士专业：结构工程指导教师：叶献国20071101 本 课题 主 要研 究桩 基 础 、地基 土 对 上部 结 构 动 力 特 性 影响 的 问 题 。 篿 ， 甆 籑 图 脱 硫塔 结 构尺寸 图 图 鸵 一 阶振 动 模 态 图图 鸵 二阶振 动 模 态 图图 鸵 三阶振 动 模 态 图图 鸵 四阶振 动 模 态 图图 鸵 五阶振 动 模 态 图 图 鸵 籰、图 鸵 籰、图 鸵 、图 鸵 、图 鸵 籰、图 鸵 、图 鸵 、图 鸵 、图 鸵 、图 鸵 、图 鸵 、图 鸵 籰、图 鸵 、模 型一 畲 蠓 从 笨蘉 应 力图模 型一 畲 蠓 从 笨蘉 应 力图模 型一 畲 蠓 从 笨蘉 应 力图模 型一 畲 蠓 从 笨蘉 应 力图模 型畲 蠓 从 笨蘉 应 力图 表 表 表 向 罕 遏 地震波 或 撰 写 过 的 研究成果 ， 也不包含 为 获得签 字日 期： 沙可年， 瑚 弓日学位 论 文作者毕 业后 去 向 ： 谢感 谢我的同 学 们 ， 是 他 们 的存在才 使 我的研 究 生 生 活更加 充实 和 多姿多彩 。 感 谢 级 班 的其 他 所 有 同 学 ， 非 常 荣 幸 能够在这 样一 个 团 结 向 上的集 体中 学 习和 生 活，最 后 祝 愿 每 位 同 学 和 朋 友 能够拥 有 一 个 美 好的未 来。 绪计 地 震标准，而 震害却微 不 足 道 。地 震产 生 的地 面 运 动 差 异以 及 结 构 在 地 震中的 与 自 由场 地 相 比较 ， 由于 上部 结构 的 振动反馈 作 用， 改 变 了地 基运 动的 辐值和 频 谱组 成， 使 接 近 结构 自 振频 率 的 分 量 获得 加 强 ：同 时 ， 地 基的 加 速 度幅 值也较 邻 近 自 由场 地 减小， 部 分 文 献指出 基础的 加 速 度峰 值减少可 达 。 国 内外 多 次 大 地 震 的 实 测 记录也表明：在 建 筑 物 地 下室记录到 的 加 速 度幅 值总是小于邻 近 建 筑 物 的 自 由地 表加 速 度记录幅 值峄】 。 记录 对 栋 房屋 进 行分 析 ， 结 果显示 地 基 越软相 互 作 用 对 上 部 结 构 动 力反应 影 响越大 ： 考 虑 一结 构 动 力相 互 作 用 的 结 构 位移 是 由基 础 平 移 、 基 础 转 动 和结 构 本身 变形 三 部 分 组 成 的 ， 与 刚性 地 基 假设 计 算结 果相 比 ， 结 构 顶 点 位移 一般都 相 应地 增 大 ， 结 构 刚度 越大 ， 场 地 越软， 结 构 顶 点 的 位移 增 大 得越多 ： 由于底 部 剪 力和层间 剪 力一般是 减 小的， 故 结 构 的 层间 位移 一般也 是 减 小的。 然 而， 不 同 文 献针对 不 同 的计 算对 象 和地 基 条件 、 基 于不 同 的计 算模型， 得出的 结 论 也 不 尽相 同 。 现行土一结 构 相 互作 用 的研究方 法 可 分 为 ： 理 论 方 法 、 原 型测 试和室 内试验。其中 室 内试验主 要 是 对 地 基 土的 物 理 力学 性 质 的 测 量 ， 以 确定 理 论 分 析 模型的 参数。 由于对 无 限地 基 辐 射 阻抗 模拟 的 困 难 ， 土一结 构 动 力相 互 作 用 的 模型试验方法 并 未 得到 充 分 发 展 。 原 型测 试包 括 激振 试验和强 震观 测 两 个 方 面 ， 近 年 来 得到了 一定 的 发 展 ， 但 在验证结 构 一地 基 动 力相 互 作 用 的 理 论 模型方 面 的 研究成 果还不 多 。 理 论 分 析 方 法 包 括 ： 直接 法 和子结 构 法 。 下面 将 主 要 针对 上 述 两 种 理 论 分析 方 法 进 行介 绍。 。简 单子 结 构 法 的数 学 模 型是 桩一 土 一 上 部 结 构 动力 相互 作 用 研究 现 状 了 近 似 考 虑 。提 出 ： 群 度 时建 造 于 、 类场地 ， 采 用 箱 基、刚性较好的筏基和 桩箱 联 合 基础 的钢 筋 混 凝 土 高 层 建 筑 ， 当 考 虑 地 基与 结 构 相互 作 用 时， 按 刚性地 基假定 分析 得 到 的水 平地 震 作 用 可根据 结 构 和 场地 的不 同进 行 折 减 。事 实上 ， 国 内 外 的大 量 理 论 、试验研究 均 发 现 ， 基于 刚性地 基假定 的结 构 抗 震 计算不一 定 都 是 安 全的， 故 桩一 土 一 结 构 动力 相互 作 用 对 结 构 动力 反应的影 响 不 容忽 视 蘑裢 一 土 系 统 课题 的 研 究 背 景我 国电 力 工 业现在 仍以 煤 电 为 主，这一 格局在 相当 长 时 间 内 难以 根 本 改变 。截 至 对 于 解决火电厂 二 氧化硫污 染问 题 提 出了 指 导 性意 见 ， 这 是国 家 主 管 部 门 对 加 强脱 硫监管 的 一 项有力 政 策。此前不 久， 国 家 环 保 总 局在 “十 一 五”期 间 的 重 点任务 中重 申 ： 新建燃煤 电厂 必 须同 步 建设 脱硫设 施 ， 老 电厂 分 阶段 建设 脱硫设 施 。并且 公 布了 全 国 几 十家 电厂 名 单 ， 要求 其 必 须在 规定 的 期 限内 完 成脱 硫主 体工程 建设 。脱硫吸收 塔 为大 型薄 壁 钢 制圆 筒 形结 构 ， 有烟 气的 进 、出口 通 道 ， 开 孔率 大 ， 有时最 大 开 孔宽 度 达 塔 径 的 左 右 ， 内 部 有多 层 的 喷 淋和喷 雾 装 置 且 设 有支撑 粱 ， 设 备尺 寸大 ， 负 荷 范 围 宽 且 种 类多， 防腐 要求 高 ， 结 构 形式 特 殊 且 复 杂 ， 在 结 构 分 析中存 在很 多值 得 研究的 技术难题 。同 时 ， 在 结 构 设 计 中。塔 体的 抗 震 性能 评 价和地 震 作 用的 计算 也 是最 棘手的 问 题 ， 地 震 作 用是导 致 吸收 塔 整体结 构 破 坏 的 最 大 威胁 因素。因此， 对脱硫塔 结 构 进 行抗 震 设 计 研究与抗 震 性能 评 价， 具有十 分 明显的 工程意 义 和实用价值 。除 了 薄壁 和大 直 径 外 ， 烟 道 的 横 向开 口 和塔 体上 部 的 集 中质量 是影 响 吸收 塔 结 构 稳 定 性的 关键 因素。 有 限元的 发 展现状 叫有 限元 法 的 基 本 思 想 是将 连 续 的 求 解区 域 离 散成为 一组 有 限个 且按 一定方 式相 互区 域 上的 分片 连 续 函 数和最 小位 能原 理相 结合 ， 来 求 解 扭转问 题。 年 可 将 工 程 设 计 、 工 程 分析、 结果 评 估 、 用 户 化 和交 互图 形 界 面 集 于 一身 ， 构成一个 完 整的 苫 肪 场 胨 那 昂 蟠 砥鱉 可 以 帮助 产 品 开 发 者实现从 设 计 到 制 造 全过程 的 产 品 性 能仿 真 ， 其 主要 特 点包 括 ： 直 接模 型 访问 、 智能化 模 型 处 理、 自 动有 限元 建 模 、 完 全的 分析集 成、 结果 可 视 化 处 理等 等 ， 其 功能得到 世界 的 公 认， 吸 收 塔 是烟 气 脱 硫工 艺 的主 体 结 构， 脱 硫吸 收 塔 为大 型 薄 壁 钢制 圆 筒 形 结构， 钢制 圆 筒 是由不 同 厚 度 的钢板卷 制 、 焊 接 而 成 。 目 前许多作者 用 用 有限元软件 对 该 种结 构进行了静 力、 动力特性分 析 ， 分 析 时 ， 为简 化 计算 直 接 把该 结 构的筒 体 底 部 约 束 住 ， 而 不 考 虑 桩 一 土一 结 构共 同 作用 对 结 构的动力特性影响， 显 然 这与实 际 结 构的动力特性会 有区 别 。 笔 者 主 要在以 下 几方 面做 了一 定 的研 究工 作： 肗 大 型 通 用 有限元软 件 建 立 两 种模型 ：不 考 虑 桩 一 土一 结 构共同 作用 和 考 虑 桩 一 士 一 结 构共 同 作用 模型 ； 第 二章 工 程结构 抗 震 基 本原 型 单质 点 弹 性体 系 的 地 震 反应研膏。 ，指 向 与 地 面 运 动 加速度 方 向 相 反。 因此 ，膏 量 口 C 式 ， 是 一个二阶 常系 数 线 性非 齐 次微 分方 程，它 的 解 包 含两个部 分： 鱼竺 題二墅 隿 ， 蝮 米 线 于 是 ，方 程 娜 庥 墒 和 式 叠 加而成 ：蚋 换 鹘趴 伞 住雓 灿 去 ：墨扩口【 甪 猺矗一鼠雄一口荆 猺咳 鏻一周期牡 杂 啥忍 逑 担 谙嗤 牡孛 嬖 硕 禄 嵊 胁煌牡卣 鸱 从 阻 尼 比善 对 体系的 地 震反应 有直 接 的 影 响 ，阻 尼 比愈大 刚 弹性反应 愈小 。前面 讨论 了 单质 点 弹性体 系的地 震 反应 。 在 实际 工 程 中 ，除 有些结构 可 以简 化 成单质 点 体 系外 ，很多工 程 结构 ，像多层 或 高 层 工 业 与民用 建筑和 本 项目 研 究 的 脱硫 塔 结构 等 ，则 应 简 化 成多质 点 体 系来 计算 ，这 样 才能 得出 比 较切合实际 的结果 。以图 所 示 的 多层 框 架 结构 为 例 来 说明 多质 点 体 系模 型 的 建立过 程 。 按 集 中 质 量 法 将猣和之 间 的 结构 重 力荷载、楼面 和 屋面 可 变 荷载集 中 于 楼面 和嗖 惴 课 荩 多质 点 弹性体 系 统 的 运 动方程 。 刚 度系数统 沿 ，自由度方向产生 单的 水平 位 移 。 当 只 有质 量 块 发生 位 移 而 时，需要在 两质 量 块 上施 加 的 力分 别 为毛玲 和 ； 同样 ，当 只 有质 量 块 所 灰 贫 时，需要在 两质 量 块 上施 加复 力的 大 小 为 ：牌之。基于 微分 方程 的 求解理论 ，可 设 上述齐次 方程 组的 解答 为卜 ：。海 侄斜 、， 月量 表 示 为 ； 由于臀 宥际 嵌 猿 凭 卣 螅又可 以写成由于当 伲保 迃 砰 。 所 以，对 于不同阶 的 振型 ，有 上式表明， 整 个系 统 的无阻 尼 自 由 振 动 可以 用力 个独 立 的以 模 态 坐标 为广 义 坐标 的单自对 所示 的多 质点 弹性 体 系 ， 由 动 力 学 原 理 ， 可以 给 出 在 地震 作 ， 量 矩阵 和 刚度 矩阵 的线性 组 合： 对 于 图 所示 的集中质量 体 系 ， 质量 矩阵 肘为对 角阵 。定 义 下 列振 型参与 系 数 ：力地震 作 用下 的位 移 ， 该单质点 体 系 成为与 振 型， 相 对 应 的振 予 。薯 薿 恕 鳎 琽 第 三章 考 虑桩一 土一 结构 相互作 用 的脱硫 塔模 态 分 析脱硫 吸收 塔为 大 型薄 壁 镉 制 圆 筒 形结 构 ， 有烟气 的迸、出 口 通 道 ， 内 部有多 层 的喷淋 和喷雾 装 置， 结构 形式 特殊而 复 杂， 在 结构 分 析 中存 在 很多 值 得 研 究 的技术 难 题。同时 ， 在 结构 设 计中 ， 塔体的抗 震性 能评价 和地 震作 用 的计算 也 是 最 棘手的问 题， 地震作 用 是 导 致吸收 塔整体结 构 破 坏酌最 大威胁 因 素 。 因 此 ， 对脱硫 塔结构 进 行 抗 震设计研 究 与抗 震性 能评价 ， 具 有十 分 明显的工 程意义 和实 用 价 值 。 除 了 薄壁 和大 直 径外 ，烟道 的横向 开口 和塔体上部的集中 质 量是 影 响 吸收 塔结构 稳定 性 的关键因 素 。 对于 该类吸收 塔的结构 设 计， 羁前尚 无 现成 完 全 适 用 的设 计规 范可 循 ， 在 很大程度 上依赖 于工 程经 验 ， 缺乏必 要的理论分 析 和指 导 ， 这对结 构 的安 全 设 计和设 备 的本 工 程为 昆 明某 发 电厂 烟气 脱硫 吸收 塔， 塔体 豢 悸亲 煌 烈 唤峁构餐 饔媚 模 型一悸亲 煌 烈 唤峁构餐 饔媚 模 型虽 桩侧 四周 都 有土层，但 是因 土的 特殊 性 林 荒 芗 费 棺恚 荒 芾 ，桩 作 桩 侧 的土 弹 簧 单元 ：先 给 桩 划 分 好 单元 ， 然 后 显 示 桩 的节点 ， 选 取 桩 的节点 ，把 选 取 的节点 分 别向轴 方 向复 制 ， 复 制 生 成 的节点 作 为弹 簧 单元 的一个 节点 ，另一节点 为对应 高 度 处 的桩 身节点 ， 这 两个 节点 就是 土 弹 簧 单元 的两 个 节点 。 单元 划分 好 后 ， 总 单元 数 为：诘 闶 # ， 没 有 不 规 则 单元 ， 不 同自 由 度 的单元 之 间连接较 好 ， 单元 划分 效 果比较 理 想 。 以 上 为考 虑桩 土 相 互 作 用的模型 。 法和 修正 郝 斯 厚 德法； 兰 索士 法妓 魇 法是琇 向量 的计 算公 式 如 下 ： ， 孱 进气 口以 上筒体都份 沿 径 向 作 开 合 振动外 观 无明 显 振动 ，内 部喷 淋 管 明 显 上下 振动出 气 口振动 显 著 。整体二 阶 振动迸 、出 气 口振动 显 著 ，喷 淋 层 位 置 简 体扳 动 显 著 图 鸵二 阶 振动 模 态 图图 鸵七 阶 振动 模 态 图图 鸵八 阶 振动 模 态 图图 鸵九 阶 振动 模 态 图 简 体 、桩 整体 扭 转振动图 鸵 二 阶 振动 模 态 图 图 鸵 四阶 振动 模 态 图 时程 分析 的 基 本 原理 时程 分析 的 积 分方 法介 绍 跳一 阻 粥 乏 南 晰 ： 怯删 踸 将每 趾 代入式 解 出簅 谑莊 鱮时 刻 的 加 速 度 可 按下式 内 插 瓸 猛 眠 瞎 恽桄 梗 ，其中 ， 仄占 为 控制积分格 式 计算 精度 和稳定 性的 参 数 。阻 ：綜】 鳎 簘十 鳍 鬖 ：一 。可得： 地震 波 的选取 及 调 整计算， 应 按 建 筑场 地类 别和 设 计地震 分组选用 不 少 于 二 组实 际强震 记录和 一 组人 工 模拟地面 运动加 速度 时程， 其平 均地震 影 响 系 数 应 与 振型分解反应 谱 法所采 用 的地震 影响 系 数 曲 线在 统计意 义 上相符 。 并给出了 弹性 时程分析 所得 结构 底 部 剪 力 的规 定。 在其条 文 说 明 中进 一 步阐 明 了 选波 要求 。 但是 ，无论 是 规 范中或 条 文 说 明 中， 都 没 有 给出具 体的实 施 办 法。在 选用 地震 波 时候， 要综 合考 虑 地震 动三 要素 ， 并根 据情 况加 以 调 整 。地震 动强度 包 括加速度 峰 值 、速度 峰 值 和 位 移 峰 值 ， 对 一 般 结构 常 用 的是直接 输入 地震 反应 方 程的加 速度 曲 线 。 加速度 峰 值 反映了 地面 记录中最 强烈部分。 对 选用 的地震 记录加 速度 峰 值 应 按 适当的比例放大 或 者 缩 小 ， 使峰 值 加速度 相当于 与 设 防 烈度 相应 的多 遇地震 与 罕 遇地震 时的加 速度 峰 值 。 加速度 峰 值按 下 式 调 整 ：口 房 在 调 整 时间坐 标时， 可 按 咀 下 公 式 计算： 卣 鸲 中 奔 鋜 波 波 形 图有限 元模型 的时 程 分折 结 构 阻尼 力正 比与 位置 ： 分 篊 瓺 籇 常遇 和 罕 遇 地 震 作 用 下 结构 地 震 反应 对 比 波 对 两种 结构 的 作 用 结果对 比 常遇 地 震 波 的 结果比 较负 方 向 最 大值比 值。 图 鸵 籰 、 模型 一 畲 蠓 从 笨 蘉 应 力 图 常遇 地 震 波负 方 向 最 大值 图 模型 一 汀 底 部 剪 力 时程 曲线图 鸵 、 模型 一 畲 蠓 从 笨 蘉 应 力 图 罕 遇 地 震 波 的 结果比 较 罕 遇 地 震 波负 方 向 最 大值 罕 遇 地 震 波 的 结果比 较结果比 较 比 值。图 模型 一 鸵 底 部 剪 力 时程 曲线 负 方 向 最 大 值比 值 图 鸵 籰 、模 型 一 畲 蠓 从 笨蘉 应 力 图负 方 向 最 大 值 图 鸵 、模 型 一 畲 蠓 从 笨蘉 应 力 图表 向 罕 遇 地 震 波负 方 向 最 大 值 图 鸵 、模 型 一 畲 蠓 从 笨蘉 应 力 图 表 向 罕 遇 地 震 波负 方 向 最 大 值结 果比 较比 值图 模 型 一 鸵 顶部 位移时程 曲线 波 作 用下 的 结 果 覯 应力云 图 可 看 出 ，模 型 一 艿 降 淖 畲 笥 狄 4笥 谀 鸵 的 波 施 加到 两种 模型 上 得 出 的 计 算结 果 知 ： 波 施 加到 两种 模型 上 得 出 的 计 算结 果 知 ： 覯 应力云 图 可 看 出 ，模 型 一 艿 降 淖 畲 笥 狄 4笥 谀 鸵籰 的 波 施 加到 两 种 模型 上 得 出 的 计 算结 果 知 ： 波 对 于 顶 部 位移的 放 大 作 用较 峁沟 淖畲笥 戎滴 ，影响非 常 小 。对 于 考虑桩