（岩土工程专业论文）渡槽结构考虑流固耦合的地震反应计算.pdf

郑州大学硕士学位论文 簪6 3 5 2 6 s 摘要 为缓解我国北方地区严重缺水的局面，我国决定兴建南水北调大型水利工 程，其中东、中线工程现已开工建设。南水北调水利工程的主要功能是改变水资 源在时空上的自然分布，使之适应社会生产和生活需要，是我国优化水资源配置 的重要基础性措施。渡槽是跨越河流、道路、山谷等的架空输水建筑物，在南水 北调中线工程总干渠中，大型渡槽交叉建筑物就有数1 0 座，且大部分位于地震 烈度为度及以上的地区，有的还在地震高发区，这些渡槽的抗震设计，对整个 南水北调中线工程的安全和经济运行有着至关重要的影响。因此，开展大型渡槽 结构地震反应分析的研究具有重要的现实意义，本文正是在此背景下开展研究 的。 目前国内外对大型渡槽结构地震反应分析主要采用振型分解反应谱方法和 动态时程反应分析方法进行。振型分解反应谱方法是土木工程抗震规范所普遍采 用的估算等效地震作用的方法，适用于结构跨度不大、地震输入变异性小的中、 小跨度渡槽的地震作用估算，该方法对大跨度高架渡槽的地震作用初步估算虽有 一定帮助，但由于大跨度高架渡槽空间振型的耦合，渡槽采用薄壁槽身带来的横 向弯扭位移耦合作用以及地震波的输入在空间与时间上的变异性，使对大跨度高 架渡槽地震反应的估算存在较大误差，不能考虑地震动的持续时间影响，且无法 给出高架渡槽的动力时程响应。动态时程反应分析方法可以描述渡槽在地震作用 下的结构反应，随着强震记录的增多，计算机技术的发展，该分析方法应用越来 越广泛。过去由于计算机容量的限制，常采用简化的动力分析模型计算渡槽结构 地震反应，例如，把渡槽槽身抽象为集中质量，从而只研究渡槽支架的动力反应； 或将渡槽薄壁槽身用通常的实心梁单元进行模拟，不能考虑渡槽槽身薄壁杆件的 横向弯扭耦合振动、约束扭转变形等的影响：有的研究采用薄壁梁段单元，但忽 略渡槽槽身与水体的动力相互作用。为确保大型渡槽的抗震安全性，对其进行地 震反应计算，应采用合适、实用的力学计算模型。 本文是河南省高校杰出科研人才创新工程项目( 项目编号：2 0 0 3 k y c x o l l ) 和河南省科技攻关项目( 项目编号：0 2 2 4 3 7 0 0 2 5 ) 的一部分，作者根据已有研究 成果，考虑渡槽结构带水运行、槽身为开口薄壁结构等特点，探讨了大型渡槽结 构动力分析模型。借助于作用于刚性储液容器上的液动压力计算方法计算水体作 用于渡槽槽身的作用力，考虑渡槽槽身与槽内水体的动力耦合：针对渡槽槽身为 开口薄壁结构特性，在探讨渡槽动力模型时考虑槽身的横向位移、竖向位移、纵 向翘曲。采用有限单元法将渡槽离散，槽身采用薄壁梁段单元，每个单元节点有 郑州大学硕士学位论文 8 个自由度，每个槽身单元有1 6 个自由度；支架采用空间梁单元离散。运用势 能驻值原理推导渡槽槽身单元刚度矩阵，由弹性系统动力学总势能不变值原理推 导槽身单元质量矩阵，采用已有研究成果组集槽身阻尼矩阵及槽身与渡槽支架采 用盆式橡胶支座的连接刚度，从而确定计算渡槽地震反应的动力模型。该动力分 析模型与现有的分析模型相比，不仅考虑了渡槽结构槽体与水体间的流固动态耦 合，也考虑了槽身为开口薄壁结构这一特点，与通用大型结构分析程序相比，计 算结果良好接近，但该计算模型简单，使用方便，可用于大型渡槽整体结构地震 反应分析，是大型渡槽结构较为实用的动力分析模型。 渡槽结构的动态特性包括自振频率、振型等。本文根据选用的渡槽动力分析 模型，分5 种工况计算了南水北调某大型渡槽结构的动态特性。计算结果表明： 考虑渡槽槽身与水体的动力相互耦合作用对渡槽结构自振频率影响较大，因此在 分析渡槽结构的动力特性时必须考虑槽内水体与槽身的动力相互作用；随着槽内 水位的增高，渡槽槽身的各阶自振频率依次递减；考虑流固耦合作用对渡槽槽身 各阶振型亦有相应影响，各阶竖向振型是独立的，横向振型与扭转振型耦联；渡 槽槽内水体的横向振型与渡槽槽身横向振型同步，当渡槽槽身振型以竖向弯曲为 主时，渡槽附联水体横向振型不明显。 采用动力时程分析法，利用本文选用的动力分析模型，研究了南水北调中线 工程某大型渡槽结构对应5 种工况在e l c e n t r o 波、t a f t 波、t i a n j i n 波、 p a s e d e n a 波4 条地震波同步激振作用下的地震时程反应，从位移及应力2 个方 面分析了地震对大型渡槽结构的影响。计算结果表明：随着槽内水位的升高，渡 槽上部质量增加，横向地震反应位移都逐渐变大，考虑流固耦合时的各跨中点横 向位移均小于不考虑流固耦合时的横向位移，说明水体一结构的相互耦合，降低 了渡槽结构的地震反应横向位移：横向激振时考虑纵向翘曲对纵向正应力影响比 较大，而纵向激振时单元翘曲变形非常小，可以忽略翘曲对纵向正应力的影响； 随着水位的升高，槽身截面的纵向正应力、剪应力及翘曲正应力均增大；考虑流 固耦合时的纵向正应力、剪应力及翘曲正应力均大于不考虑流固耦台的计算值， 说明水体与槽身的动力相互作用对槽身应力有较大的影响。 本文以南水北调中中线工程实际渡槽为研究对象，探讨了大型渡槽结构动力 模型，该模型不仅考虑槽身与水体的动力相互作用，也考虑了槽身纵向翘曲特性， 依据此模型分多种工况计算某渡槽结构动力特性和地震反应，得到些有益的结 论，研究结果可直接用于实际工程a 关键词：渡槽，动力模型，流固耦合，动态特性，地震反应 i i 郑州大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h es o u t h t o - n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c ti sb u i l tt or e l i e v et h es e r i o u s 、a t e r s h o r t a g ei nn o r t h e r nr e g i o no fo u rc o u n t r y t h e m a i nf u n c t i o no ft h ep r o j e c ti st o c h a n g e n a t u r a ld i s t r i b u t i o n o fw a t e r r e $ o l 】r c e ，a n d i ti sa n i m p o r t a n t b a s a l e s t a b l i s h m e n tf o ro p t i m i z i n gw a t e rr e s o u r c e a s ab u i l d i n gf o r t r a n s p o r t i n gw a t e r s p a n n i n g r i v e r s 、r o a d so rv a l l e y s ，t h e r ea r eo v e r1 0a q u e d u c t si nt h em i d d l er o u t eo f t h e s o u t h - t o n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o j e c t ，m o s to f w h i c ha r el o c a t e di nt h er e g i o nw h e r et h e e a r t h q u a k ei n t e n s i t yi s d e g r e eo ro v e rv d e g r e e s oi t ss i g n i f l c a t i v et os t u d y s e i s m i cr e s p o n s eo f l a r g e - s c a l ea q u e d u c t a t p r e s e n t , t h er e s p o n s es p e c t r u mm e t h o da n dt h et i m e - h i s t o r ya n a l y s i sm e t h o d a r ew i d e l yu s e dt oa n a l y z es e i s m i cr e s p o n s eo fl a r g e s c a l ea q u e d u c t t h er e s p o n s e s p e c t r u m m e t h o di s a d o p t e du n i v e r s a l l y t oe s t i m a t es e i s m i ca c t i o ni nc i v i l e n g i n e e r i n g ，a n di sf i tf o rs m a l l s c a l ea q u e d u c tw h e n t h ev a r i a b i l i t yo f g r o u n dm o t i o n i n p u t i s t i n y a ss p a t i a lm o d e lo fl a r g e s c a l ea q u e d u c ti sc o u p l e d ，t h e r e w i l lb e c o n s i d e r a b l ee r r o r sw h e nu s i n gt h er e s p o n s es p e c t r u mm e t h o dt oe s t i m a t es e i s m i c a c t i o n ，a n dt h em e t h o dc a nn o tr e f l e c tt i m e - h i s t o r ye f f e c t t h et i m e h i s t o r ya n a l y s i s m e t h o dc a r ld e s c r i b ea na q u e d u c t ss e i s m i cr e s p o n s e w i t ht h ei n c r e a s eo f p o w e r f u l e a r t h q u a k er e c o r da n dt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n i q u e ，t h et i m e - h i s t o r y a n a l y s i sm e t h o di sa p p l i e dm o r ew i d e l y i nt h ep a s t ，b e c a u s eo f t h el i m i to f c o m p u t e r c a p a c i t y , s i m p l ed y n a m i ca n a l y s i sm o d e l sa r eu s u a l l yu s e dt o c a l c u l a t ea q u e d u c t s s e i s m i cr e s p o n s e f o re x a m p l e t h eb o d yo fa q u e d u c ti sa b s t r a c t e d 弱ac e n t r a l i z e d m a s s ，t h e r e b yo n l y t h eb r a c eo f a q u e d u c tn e e d t ob e i n v e s t i g a t e d ，o rs o m e s c h o l a r su s e t h i n - w a l l e db e a me l e m e n t st o a n a l y z ea q u e d u c tb yi g n o r i n g f l u i d - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n i no r d e rt oa s s b r e a q u e d u c ta s e i s m i cs e c u r i t y , ap r a c t i c a l m e c h a n i c a l m o d e ls h o u l da p p l yt oc a l c u l a t ea q u e d u c t ss e i s m i c r e s p o n s e 。 t h i sp a p e ri sap a r to fh e n a ni n n o v a t i o np r o j e c tf o ru n i v e r s i t yp r o m i n e n t r e s e a r c h t a l e n t s ( 2 0 0 3 k y c x 0 1 1 ) b a s e do nt h ee x i s t i n gp r o d u c t i o n , c o n s i d e r i n g a q u e d u c tr u n n i n gw i mw a t e ra n dt h eb o d yo fa q u e d u c tw h i c hi so p e ns e c t i o n t h i n - w a l l e dm e m b e r , a u t h o rh a v ed i s c u s s e da d y a a m i ca n a l y s i sm o d e lo fl a r g e - s c a l e a q u e d u c t i nv i r t u eo f as i m p l ec a l c u l a t i n gm e t h o d ，t h es t r e n g t ho ft h ew a t e ra c t e do n t h e b o d yo fa q u e d u c ti sc o m p u t e d a st h eb o d yo fa q u e d u c ti s o p e ns e c t i o n t h i n - w a l l e d m e m b e r , 岫y e r s e d i s p l a c e m e n t 、l e n g t h w a y sd i s p l a c e m e n t 、 i 郑州大学硕士学位论文 b e n d i n g t w i s t i n gv i b r a t i o n 、r e s t r a i n tt w i s t i n gd e f o r m a t i o na n dl e n g t h w a y sc u r la r e c o n s i d e r e di nd i s c u s s i n ga q u e d u c td y n a m i cm o d e l f i n i t ee l e m e n tm e t h o d a r e a p p l i e d t o d i s p e r s ea q u e d u c t t h eb e d yo fa q u e d u c ta d o p t st h i n 。w a l l e d b e a me l e m e n t ，e a c h n o d eh a s8d o f sa n de a c he l e m e n th a s1 6d o f s t h eb r a c eo fa q u e d u c ti sd i s p e r s e d w i t hb e a me l e m e n t s t h em i n i m u mp o t e n t i a le n e r g yp r i n c i p l e si sa p p l i e dt oi n f e r s t i f f n e s sm a t r i xo fa q u e d u c tb e d y t h ep r i n c i p l eo ft o t a lp o t e n t i a le n e r g yw i t h s t a t i o n a r yv a l u ei ne l a s t i cs y s t e md y n a m i c si su s e dt oi n f e rm a s sm a t r i x d a m p i n g m a t r i xo f a q u e d u c tb o d y i sa s s e m b l e db y u s i n g t h ee x i s t i n gp r o d u c t i o n s oad y n a m i c m o d e lf o r c a l c u l a t i n ga q u e d u c t s e i s m i c r e s p o n s e i s e s t a b l i s h e d 。c o m p a r e d w i t h e x i s t i n gm o d e l s ，t h i sm o d e ln o to n l yi n c l u d e sf l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nb u ta l s od o w i t hl e n g t h w a y sc u r lo f t h ea q u e d u c tb o d y , s oi ti sa p r a c t i c a lm o d e l d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c so fa q u e d u c ti n c l u d et h en a t u r a lf r e q u e n c i e sa n dm o d e s o fv i b r a t i o n a c c o r d i n gt ot h e a q u e d u c td y n a m i ca n a l y s i s m o d e li n t h i s p a p e r , d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c so f ac e r t a i nl a r g e s c a l ea q u e d u c ti sa n a l y z e du n d e rf i v ec a s e s t h er e s u l t si n d i c a t e s ：t h ee f f e c to ff l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o ni n f l u e n c e so nt h en a t u r a l f r e q u e n c i e s ，s o f l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o nm u s tb ec o n s i d e r e di nt h ep r o c e s so f a n a l y z i n gt h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s o fa q u e d u c ts t r u c t u r e n a t u r a l f r e q u e n c i e s d e c r e a s eo r d e r l yw i t l lt h er i s i n go ft h ea q u e d u c tw a t e rl e v e l m o d eo fv i b r a t i o ni s a f f e c t e d n o t i c e a b l yb y f l u i d - s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n e a c hv e r t i c a lm o d eh a st ob e i n d e p e n d e n ta n dt r a n s v e r s em o d ec o u p l e sw i t ht w i s t i n gm o d e t r a n s v e r s em o d e so f v i b r a t i o no ft h ea q u e d u c ta n dw a t e ra r es y n c h r o n o u s ，n e v e r t h e l e s st r a n s v e r s em o d e s o fv i b r a t i o no fw a t e ra r en o ta p p a r e n ti fm o d e so f a q u e d u c ta r ec h a r a c t e r i z e dm a i n l y b y v e r t i c a lb e n d s u s i n gt h ed y n a m i ct i m e h i s t o r ya n a l y s i sm e t h o da n dt h ed y n a m i cm o d e l ，t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e st h et i m e - h i s t o r yr e s p o n s eo f ac e r l a i nl a r g e s c a l ea q u e d u c ti nt h e s o u t h - t o - n o r t h 鼢衙t r a n s f e rp r o j e c tw h i c hi s p o w e r e ds y n c h r o n o u s l yb yf o u r e a r t h q u a k e w a v e s e l c e n t r o w a v e ，t a f tw a v e ，t i a nj i a nw a v e ，p a s e d e n a w a v e u n d e rf i v ed i f f e r e n te a s e si ns t r e s sa n dd i s p l a c e m e n tt w oa s p e c t s t h er e s u l t s i n d i c a t e ：t r a n s v e r s ed i s p l a c e m e n te n l a r g e sg r a d u a l l y 谢t l lt h er i s i n go fw a t e rl e v e lo f t h e a q u e d u c t t h ec o u p l i n g e f f e c to fw a t e ra n ds t r u c t u r el o w e r st h et r a n s v e r s e d i s p l a c e m e n to fa q u e d u c t ，w h e nt h ea q u e d u c ti sp o w e r e db yt r a n s v e r s ee a r t h q u a k e w a v e s ，t h el e n g t h w a y sc u r li n f l u e n c e st h el e n g t h w a y sn o r m a ls t r e s sn o t i c e a b l y , b u t c u r l i n gd e f o r m a t i o ni sv e r ys l i g h tw h e nt h es t r u c t u r ei sp o w e r e db yl e n g t h w a y s e a r t h q u a k ew a v e s ，s ot h ei n f l u e n c eo ft h ec u r lo nl e n g t h w a y sn o r m a ls t r e s sc a nb e i v 郑州大学硕士学位论文 i g n o r e d w i t ht h er i s i n go f w a t e rl e v e l ，l e n g t h w a y sn o r m a ls t r e s s ，s h e a f i n gs t r e s sa n d c u r l i n g n o r m a ls t r e s sa r e i n c r e a s i n g w h i c ha r e l a r g e r t h a nt h eo n e sw i t h o u t c o n s i d e r i n gf l u i d s t r u c t u r e i n t e r a c t i o n s oi td e m o n s t r a t e st h a tt h ef l u i d - s t r u c t u r e i n t e r a c t i o np l a ya g r e a tr o l ei n f l u e n c i n gt h es t r e s so f a q u e d u c t t h e p a p e rr e g a r d st h ep r a c t i c a la q u e d u c t a st h em s e a r e h o b j e c t ，a n dd i s c u s s e st h e d y n a m i cm o d e lo fl a r g e s c a l ea q u e d u c tw h i c hc a nn o to n l yc o n s i d e rt h ed y n a m i c m u t u a le f f e c to fw a t e ra n d a q u e d u c t b u ta l s ot a k et h e l e n g t h w a y sc u r l i n g c h a r a c t e r i s t i c si n t oa c c o u n t s o ，a c c o r d i n gt ot h ea b o v em o d e l ，t h r o u g hc a l c u l a t i n gt h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n de a r t h q u a k er e s p o n s e si nd i f f e r e n tc a s e s ) w ec a l la c h i e v e s o m eb e n e f i c i a lc o n c l u s i o n sa n dt h er e s u l t sc a l la l s ob eu s e di nt h e p r a c t i c a lp r o j e c t s k e yw o r d s ：a q u e d u c t , d y n a m i cm o d e l ，f l u i d s t r u c t u r ei n t e r a c t i o n ，d y n a m i c c h a r a c t e r i s t i c s ，s e i s m i cr e s p o n s e v 郑州大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 问题的提出 联合国水资源委员会早在1 9 7 7 年就向各国发出警告：“供水不足将成为一个深 刻的社会危机；石油危机之后的下一个危机就是水的危机。”全世界有1 0 0 多个国 家缺水，近1 3 的人口缺乏卫生水源，这种情况在城市和工业区更为严重；全世界 用水量以每年4 的速度递增，水资源不足严重影响了人类生存和社会发展。我国 人均水资源总量只有2 5 4 0 m 3 ，相当于世界人均占有量的1 4 1 】：2 0 0 2 年中国水资源 公报表明【2 j ：2 0 0 2 年全国水资源总量为2 8 2 6 1m 3 ，比常年偏多2 9 ：从地区分布 上看南方和西北部内陆河地区水量比常年偏多，北方地区水量比常年偏少；其中山 东、天津、北京、河北、辽宁等省( 直辖市) 严重干旱，降水量比常年偏少4 0 2 5 ，径流量比常年偏少8 0 6 0 ；海河流域已连续6 年、辽河和黄河流域已连续 4 年发生干旱，由此可以看出：我国水资源在时空和地域上分布都不均匀，地域上 南多北少，时空上年际变化大。 新中国成立5 0 多年来，水利建设虽然取得了显著成就，但中国水利面临的形 式仍然十分严峻：一是洪涝和干旱灾害频繁；二是水资源严重短缺；三是水污染与 水环境日趋恶化、水土流失严重1 3 】。随着社会的发展，我国未来水问题将更加严峻 和复杂，在很多地区和很多领域，水问题成了制约经济发展的瓶颈，这在我国北方 地区尤为严重。以首都北京为例：北京人均水资源量不足3 0 0m 3 ，仅为全国的1 8 ， 世界的1 3 0 ，远远低于国际公认的人均1 0 0 0m 3 的缺水下限，属重度缺水地区，是 世界上最严重缺水的大城市之一；同时，北京地区水资源开发利用已接近极限，虽 然北京现在用水基本平衡，但这种表面平衡是以牺牲生态环境和制约发展为代价 的。我国北方天津、河北、山东等省市与北京面临着同样的缺水问题。为从根本上 缓解我国北方地区严重缺水的局面，我国决定兴建南水北调大型水利工程，其中东、 中线工程现已开工建设。 南水北调的主要功能是改变水资源在时空上的自然分布，使之适应社会生产和 生活需要，是我国优化水资源配置的重要基础性措施。南水北调工程兼有跨流域、 跨省市、长距离、大流量的性质，因此规模庞大，社会关系复杂，建设上有相当难 度，而一旦实施将可获得巨大的经济、生态和社会效应【4 】。 众所周知，我国是一个多地震国家，根据历史记载，几乎各省都曾发生过破坏 性地震。2 0 世纪全世界发生的7 级以上的强震中，中国大陆就占3 5 ，有3 次震 级为8 5 级以上的巨大地震发生在中国大陆，所以，我国是世界上地震灾害最为严 重的国家之一。以南水北调中线工程而言，按照2 0 0 1 年8 月最新颁布的中国地震 郑州大学硕士学位论文 动参数区划图，作初步统计的结果表明，以相应于基本烈度的5 0 年超越概率1 0 计，工程位于度区的峰值加速度在o 1 9 以上者中线占5 9 ，其中位于峰值加速 度0 2 9 以上的高地震烈度区中线占8 。因此，南水北调工程中的抗震问题是十分 突出的【5 1 。 南水北调中线工程全长1 2 6 7 k m ，跨越大小河流1 6 0 余条，整个工程中的各类交 叉建筑物达1 8 8 多座，其中长达3 4 k m 的穿黄工程，更是国内外少有的先例。渡 槽是跨越河流、道路、山谷等的架空输水建筑物，在南水北调中线工程总干渠中， 大型渡槽交叉建筑物就有数1 0 座，且大部分位于地震烈度为度以上的地区，有 的还在地震高发区，这些建筑物的抗震设计。对整个中线工程的安全和经济运行有 着至关重要的影响。一旦某个重要环节遭受震害损坏，中线全线输水即告中断，且 中线工程沿线缺乏调蓄工程，所经地区是我国人口稠密、经济较发达地区，邻近京 九、京广铁路干线，可能导致严重的地震次生灾害【5 】。因此，如何确保大型渡槽在 地震作用下的安全，是关系到国计民生的重大问题。所以，开展大型渡槽结构地震 反应分析理论的研究具有重要的现实意义，本文正是在此背景下开展研究的。 1 2 国内外研究现状 国外最近阶段新建渡槽较少，对渡槽结构的研究文献不多，主要研究文献集中 在渡槽结构选型、优化设计、模型试验和防渗修复等方面【6 _ 1 3 】，而有关渡槽动力分 析与抗震计算方面的文献极少。国内过去对渡槽结构的研究也是主要集中在槽型的 选择、优化设计、施工技术等方面1 1 4 - 2 2 ，只是随着南水北调工程的立项和开工，渡 槽结构的抗震问题成为南水北调工程一项至关重要的技术问题，近年来许多学者开 展了研究工作。下面就与本文研究工作相关的国内外研究成果简述。 1 2 1 渡槽结构动力建模及动力特性研究 国外对渡槽结构动力建模研究文献较少，并且多是时间比较早的文献。国内近 期对渡槽结构动力特性的研究主要集中在以下几个方面： 不考虑渡槽槽身的流固耦合，采用有限元计算方法和大型程序计算渡槽的动 力特性。文献 2 3 】根据渡槽槽身系薄壁杆件结构的特点，提出了渡槽槽身薄壁结构 空间动力分析模型，此模型考虑了渡槽结构槽身的弯、扭耦合特性，并对某大型渡 槽的动力特性进行了分析，对槽内水体该文献将其当作槽身质量的一部分来处理； 文献 2 4 】采用a n $ y s 程序对某大型渡槽结构的振动特性作了分析，其中槽身采用空 间梁单元，槽墩采用板壳单元，对于槽内水体则按附加质量的形式计入响应的节点 上，通过计算得到了该渡槽的动态特性；文献 2 5 采用有限元方法对大型渡槽的某 典型单跨进行了上、下结构整体动力学分析，计算结果表明，大型渡槽结构的动 力学特性与其他结构相比有其本身特有的性质：文献 2 6 采用空间块体单元对渡槽 2 + 郑州大学硕士学位论文 槽身和槽墩进行有限元离散，槽内水体采用附加质量计入槽身质量，计算结果表明， 槽内水位的高低及分布情况对渡槽的动力特性影响较大：文献 2 7 采用薄壁梁段 单元剖分槽身，考虑了渡槽横向弯扭耦合振动、约束扭转变形和盆式橡胶支座等对 渡槽结构动力作用的影响，但没有考虑流一固藕合对渡槽结构振动特性的影响；文 献 2 8 采用8 节点等参块体单元对渡槽槽体和支架剖分，将水体视为集中质量叠加 在相应的槽身节点上，计算渡槽结构的自振特性；文献 2 9 采用三维动力有限元分 析多槽体渡槽的自振特性，有限元网格划分中主要采用8 节点6 面体单元和6 节点 5 面体单元，在考虑槽体内水质量的影响时，将其按附加质量的形式计入相应的节 点上，附加质量按照w e s t e r g a r d 公式计算；文献 3 0 运用a n s y s 分析某渡槽隔震 结构的模态，槽内水体按附加质量处理；文献 3 1 通过求解渡槽的弯曲扭转联合振 动微分方程，得出简支渡槽的自振特性公式，但该文献虽是渡槽自振特性的理论解， 但是只适用于单跨简支渡槽，无法求解大型多跨渡槽；文献 3 2 推导了排架支撑式 渡槽自振频率的简化计算方法，对于水采用的是w e s t e r g a r d 公式计算附加质量， 但此简化计算方法只能计算结构的第一自振频率，若计算较高阶频率则无法采用。 以上文献虽然采用的动力模型和计算方法各不相同，但对于水体均是将其视为 槽身的一部分附加质量来处理，没有考虑渡槽结构槽身与水体相互耦合作用。渡槽 多处于空旷的野外，在强震、强风作用下，槽内水体会晃动。渡槽中槽内水质量较 大，而且全部集中在上部，尤其对大型渡槽而言，水体质量一般超过了结构自身的 重量，如此大水体形成的“头重脚轻”对结构地震反应有显著影响。因此，在计算 渡槽的动力特性和地震反应时必须考虑水体与结构动力相互作用的影响。 目前国内外对渡槽流固耦问题开展研究较少，参考文献不多。文献 3 3 切取高 墩渡槽某一墩体作为计算单元，忽略墩体左右两跨对其横向振动约束，根据水体边 界条件求解水体的l a p l c e 方程，从而求出水体的液动压力；将渡槽高墩看作固支 在地面上的悬臂梁，以弯曲振动为主，墩顶槽身与水体自重作为一个恒定轴向荷载 作用在墩顶自由端，考虑这一恒定轴向荷载对墩体横向振动的影响，建立了墩体结 构的自由振动方程：对于槽身则将其作为一个隔离体，其上作用有液动压力及墩顶 传来的剪力和弯距，槽身在墩体振动时的牵连运动看成一般平面运动，建立平面运 动方程：根据墩体和槽身运动方程，结合边界条件，求解槽体的自振特性：计算结 果表明，结构振荡频率受墩顶集中质量( 槽身与水) 影响较大，集中质量的平动惯 性使各阶结构振荡频率减小。文献 3 4 从流体的势流理论及梁的振动方程出发，分 析承重结构梁一水耦联系统竖向动力特性，基本模型与文献 3 3 相同，同样取渡槽 全长中某一墩体分析，忽略其他跨对本跨的影响。文献 3 5 同时考虑结构动力方程、 流体的动量方程和流体的连续方程，将流体与结构的相互作用问题转化为求结构运 动方程和波动方程的有限元解的问题。文献 3 6 通过求解流体的l a p l a c e 方程，认 ，3 郑州大学硕士学位论文 为流体质量对固体的影响，可用一附加质量矩阵来表示，将此附加质量矩阵加入渡 槽结构的质量矩阵中去，计算结果表明考虑槽身与水动力相互作用对渡槽结构体系 自振频率影响较大。文献 3 7 将水对结构的动力作用以附加质量形式加在结构的相 应部位，渡槽底板各节点只在竖直方向加附加质量，槽墙上只在垂直槽墙的水平方 向加附加质最，附加质量按w e s t e r g a r d 公式计算。文献 3 8 由流体运动方程求出 流体作用在结构顶端的水平力，然后通过f o u r i e r 变换建立结构侧向自由振动方程， 采用直接法和矩阵摄动法求解自由振动方程，得出排架式渡槽考虑流固耦合的振动 特性。以上文献虽然考虑了渡槽的流固耦合振动问题，但也仅限于二维平面分析， 而且在计算时均截取一个墩体计算，不考虑槽身的整体性，忽略纵向间的相互约束， 这对大型多跨渡槽而言，显然不能够完全反映渡槽的整体抗震性能，并且在求解过 程中要计算l a p l a c e 方程及无穷级数，计算繁琐。 l 。2 2 渡槽结构纵向翘屈问题研究 渡槽槽身为开口薄壁结构，现有文献中没有对渡槽结构纵向翘曲问题进行研 究，考虑到大型渡槽无论在形态上还是在结构特性上都与梁桥或一些钢结构构件有 相似之处，故可借鉴梁桥结构或钢结构相关理论分析渡槽槽身翘曲问题。一般薄壁 杆件结构翘曲问题分析理论可参见文献 3 9 4 0 1 2 3 渡槽结构地震反应分析研究 目前国内外对大型渡槽结构地震反应分析主要采用振型分解反应谱方法和动 态时程反应分析方法进行。振型分解反应谱方法是土木工程抗震规范所普遍采用的 估算等效地震作用的方法，适用于结构跨度不大、地震输入变异性小的中、小跨度 渡槽的地震作用估算，该方法对大跨度高架渡槽的地震作用初步估算虽有一定帮 助，但由于大跨度高架渡槽空间振型的耦合，渡槽采用薄壁槽身带来的横向弯扭位 移耦合作用以及地震波的输入在空间与时间上的变异性，使其对大跨度高架渡槽地 震反应的估算存在较大误差，不能考虑地震动的持续时间影响，且无法给出高架渡 槽的动力时程响应。文献 4 2 计算分析了某渡槽的地震反应；文献 4 3 采用反应谱 分析了某石砌渡槽线性地震反应；文献 4 4 应用反应谱法，导得了作用于渡槽结构 的等效竖向地震荷载估算公式。 动态时程反应分析方法可以描述渡槽在地震作用下的结构反应，随着强震记录 的增多，计算机技术的发展，应用越来越广泛。文献 4 5 采用s u p e rs a p 9 1 程序对 渡槽槽墩进行三维有限元分析，给出了槽墩结构的应力和位移，但研究成果仅限于 对槽墩的计算分析。文献 4 6 4 8 采用时程分析方法分析了渡槽结构的地震响应， 但采用的动力分析模型没有考虑槽身的流固耦合问题。文献 2 5 采用三维有限元模 型计算渡槽结构地震反应，由于采用三维空间块体单元对渡槽结构进行动力计算 4 郑州大学硕士学位论文 时，所截取的模型为两典型墩之间的单跨渡槽，不能完全反映实际整体结构地震反 应。文献 3 4 、 4 4 、 4 9 亦是截取渡槽整体结构中的一典型墩计算，忽略了左右 槽身对典型墩的约束作用，不能完全反映渡槽整体结构的地震反应。文献 5 0 一5 1 分析了考虑流固耦合和设置叠层橡胶支座的梁式渡槽地震响应，但在建立渡槽动力 分析模型时，将渡槽作为等效梁单元，忽略了槽身薄壁杆件的特性。 综上所述，有必要根据渡槽结构实际特性，应用既能考虑流固耦合问题，又适 合工程计算的动力模型进行渡槽结构地震反应计算。 1 3 本文主要研究工作 本文在现有研究工作基础上，对大型渡槽抗震动力分析理论进行研究，应 用考虑流固耦合的大型渡槽动力分析模型【6 2 】，计算分析了南水北调某大型渡槽结 构地震反应。本文主要开展了下述几方面的具体工作： 1 大型渡槽结构动力模型探讨 针对大型渡槽槽身为薄壁梁结构，而且渡槽在正常运行过程中，槽身内水体将 与槽身产生动力相互作用，应用符合实际的大型渡槽动力分析模型。建立了该大型 渡槽的动力分析模型，该模型不仅能考虑渡槽槽身开口薄壁结构的横向弯扭耦合振 动、约束扭转变形等结构自身特性，而且能反应槽身与水体的动力耦合及槽身纵向 翘曲特性。 2 渡槽结构的动态特性分析 根据所建立的该渡槽结构动力分析模型，编写了计算机分析程序。该计算程序 可以进行渡槽结构的整体动力分析，而不是截取某一典型墩单元进行的分析。运用 程序计算南水北调中线工程该渡槽在多种工况下的自振特性，分析槽内水体对结构 动态特性的影响，所得结果可用于该大型渡槽结构的抗震计算。 3 渡槽结构地震反应分析 计算该大型渡槽对应于不同计算工况在不同地震波作用下的地震反应，根据计 算结果可以分析渡槽结构在地震作用下的抗震安全性。 5 郑州大学硕士学位论文 第二章考虑流固耦合及纵向翘曲的动力模型 2 1 引言 渡槽结构是一种较为复杂的水工建筑物，槽身属于开口薄壁结构，而支架为杆 件单元，二者之间用橡胶支座弹性元件相联结，典型的渡槽结构示意图如图2 1 所 示。渡槽在正常运行过程中槽内水体与槽