（岩土工程专业论文）大型渡槽结构有限条法地震反应分析.pdf

郑州大学硕士学位论文 摘要 南水北调水利工程是为缓解我国北方地区水资源缺乏而兴建的大型水利工 程。南水北调水利工程的兴建可改变水资源在时空上的自然分布，是我国优化 水资源配置的重要基础性措施。大型渡槽结构是跨越河流等的输水建筑物在南 水北调水利工程中有着重要地位。确保大型渡槽结构在地震作用下的抗震安全 性，有着重要的现实意义。本文对大型渡槽结构地震反应分析理论与应用进行 了详细研究。主要内容如下： 1 大型渡槽结构有限条法动力建模研究 在研究有限条法理论的基础上，考虑渡槽槽身横截面沿跨长方向结构形状 规则并且无变化的结构特点，提出大型渡槽结构有限条法动力分析模型。该动 力分析模型可以考虑渡槽槽身实际结构形状、渡槽支架变形、以及盆式橡胶支 座变形影响等局部构件作用，是大型渡槽结构实用的动力分析模型。 2 大型渡槽结构动态特性分析 编写大型渡槽自振源圆频率计算的m a t l a b 程序，并用a n s y s 对渡槽结构进 行模态分析，用实例验证本文动力分析模型的正确性；并分三种工况对大型渡 槽结构动态特性进行分析，研究渡槽槽内设计水位变化、渡槽支架横截面面积 变化、渡槽支架高度变化对渡槽结构动态特性的影响，所得结论可用于渡槽结 构抗震设计。 3 大型渡槽结构地震反应分析 计算了大型渡槽结构在三种工况分别输入舰c e n t r o 、r a f t 、天津地震波三 种地震波作用下的地震时程反应，给出了大型渡槽结构的地震反应规律。 本文以南水北调中线工程中的实际渡槽为研究对象，理论和实际结合，研 究结果可直接用于实际工程中。 关键词：大型渡槽，有限条法，动力分析模型；动态特性，地震时程反应 郑州大学硕r ：学位论文 a b s t r a c t t r a n s p o r t i n gw a t e rf r o ms o u t ht on o r t hi sal a r g ew a t e rc o n s e r v a n c yw o r k sf o r r e l i e v i n gl a c ko fw a t e rr e s o u r c 七o fn o r t h e r nr e g i o no fo u rc o u n t r y t h em a i nf u n c t i o n o ft h ep r o j e c ti st oc h a n g en a t u r a ld i s t r i b u t i o no fw a t e rr e s o u r c e ，s oi ti sa ni m p o r t a n t b a s a le 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 sab u i l d i n go f t r a n s p o r t i n gw a t e r s p a n n i n gr i v e r s ，l a r g e s c a l ea q u e d u c tp l a y s a l l i m p o r t a n tr o l e i nt h i sw a t e r c o n s e r v a n c yw o r k s i ti si m p o r t a n tt oi n s u r et h es e i s m i cr e s i s t a n c es e c u r i t yo f l a r g e s c a l ea q u e d u c tu n d e re a r t h q u a k el o a d i nt h i sd i s s e r t a t i o n , t h et h e o r ya n d a p p l i c a t i o no fs e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i sf o rl a r g e s c a l ea q u e d u c ti ss t u d i e di nd e t a i l s t h em a i nc o n t e n t sa r es t a t e d 舔f o l l o w s ： 1 d y n a m i cm o d e l i n gs t u d yo f l a r g e s c a l ea q u e d u c t b a s e do nt h e o r yo f f i n i t es t r i pm e t h o d ，am o d e lf o rd y n a m i ca n a l y s i so f a q u e d u c t s t r u c t u r ei sp r e s e n t e db yt h ed y n a m i cb o d yc r o s ss e c t i o ns t r u c t u r er e g u l a t i o no ft h e l e n g t ho r i e n t a t i o n i nt h i sm o d e ls o m ea s p e c t sc a nb ec o n s i d e r e d ，i n c l u d i n gs t r u c t u r a l c h a r a c t e r i s t i ca n da c t i o no fl o c a lc o m p o n e n t s ，f o re x a m p l e ，b r a c ed e f o r m a t i o na n d e l a s t i ci n f l u e n c eo ft h er u b b e rs u p p o r t sw i t hb a s i n - s h a p e i ti sc o n f i n n e dt h a tt h e m o d e lo f t h i sp a p e ri ss i m p l ea n dp r a c t i c a lf o rd y n a m i ca n a l y s i so f t h el a r g es c a l e 2 a n a l y s i sf o rd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f l a r g e - s c a l ea q u e d u c t b yc o m p i l i n gm a t l a bp r o g r a m ，t h em o d e sa n dt h ev i b r a t i o nf r e q u e n c i e so ft h e a q u e d u c to fal a r g e s c a l ea q u e d u c ta r ee x a m i n e d t h ec o m p u t a t i o n a la r eg o o d ， c o m p a r e dw i t l la n s y ss o f t w a r e s s o t h em o d e lo ft h i sp a p e ri sc o r r e c t n e s s t h e d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co fl 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 ro nt h r e ee a s e s i n f l u e n c eo fw a t e rl e v e r , b r a c es e c t i o ns i z e ，b r a c eh e i g h to nd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co f t h ea q u e d u c ti si n v e s t i g a t e d t h er e s u l t sa r ea p p l i e dt os e i s m i c - r e s i s t a n c ed e s i g no f l a r g e s c a l ea q u e d u c t 3 s e i s m i cr e s p o n s ea n a l y s i so f l a r g e - s c a l ea q u e d u c t t h ee a r t h q u a k et i m eh i s t o r yr e s p o n s eo fl a r g e - s c a l ea q u e d u c ti ss t u d i e du n d e r t h r e ec a s e s ，d u r i n gr e s p e c t i v e l yi n p u t t i n gt h r e es y n c h r o n o u se a r t h q u a k ew a v e s e l - c e n t r ow a v e ，t a rw a v e ，t i a n j i nw a v e ，t h et r e n do fe a r t h q u a k er e s p o n s eo f l a r g e - s c a l ea q u e d u c tti sg i v e no u t i nt h i sd i s s e r t a t i o n , w a t e rc o n s e r v a n c yw o r k st r a n s p o r t i n gw a t e rf r o ms o u t ht o n o r t hi ds t u d i e db yc o m b i n gt h e o r ya n dp r a c t i c e t h ea c h i e v e m e n t sa r ed i r e c t l y a p p l i e dt op r a c t i c a le n g i n e e r i n g k e yw o r d s ：l a r g e s c a l ea q u e d u c t ，f i n i t es t r i pm e t h o d ，m e t h o do fd y n a m i cs t r e s s ， d y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c ，t i m eh i s t o r yr e s p o n s eo fe a r t h q u a k e i i 郑州大学硕士学位论文 引言 大型渡槽结构的抗震安全问题一直是水工结构抗震领域关注的焦点，由于 该类结构的特殊性，无论是理论研究，还是设计资料都比较缺乏，新颁布的水 工建筑物抗震设计规范( d l 5 0 7 3 2 0 0 0 ) 没有提到渡槽的抗震设计方法，使目 前渡槽的抗震设计无所遵循。随着南水北调工程的启动，在地震多发区修建大 型、特大型渡槽已不可避免，大型渡槽在地震作用下的安全性问题更加突出， 成为水工结构抗震领域亟待解决的重要课题。 以往的大型渡槽结构动力分析模型中，或是把渡槽槽身抽象为集中质量； 或是将渡槽槽身用实心梁单元进行模拟；或是将渡槽槽身用空间梁段单元有限 元模型，这与实际的渡槽结构是有一定的差距的。实际的渡槽结构是一个空间 薄壁结构，不能简单的把渡槽槽身简化为梁杆系结构。鉴于渡槽槽身横截面沿 跨长方向结构形状规则并且无变化的结构特点，符合有限条法的应用范围，本 文把有限条法原理应用到渡槽结构动力分析上。 本文是河南省高校杰出科研人才创新工程基金资助项目( 2 0 0 3 k y c x 0 1 1 ) ； 河南省自然科学基金资助项目( 2 0 0 4 5 7 0 0 0 2 ) ；河南省科技攻关资助项目 ( 0 4 2 4 4 7 0 0 1 1 ) 的一部分，在研究分析有限条法基本理论基础上，建立符合实际 的大型渡槽有限条法动力分析的整体模型，把渡槽槽身划分为若干个矩形有限 条，采用最小势能原理推导给出了渡槽槽身单元有限条刚度矩阵、质量矩阵的显 式表达式；渡槽支架采用空间梁单元；对于连接渡槽槽身与支架的盆式橡胶支座 则采用弹簧单元进行模拟。 根据所提出的大型渡槽结构有限条法动力分析模型，以南水北调中线工程实 际大型渡槽结构为研究对象，开展了该大型渡槽结的动态特性分析，研究渡槽槽 体内设计水位变化、渡槽支架横截面面积变化、渡槽支架高度变化对渡槽结构动 态特性的影响；并计算了该大型渡槽结构地震反应，得到一些有益的结论，所得 结论在实际工程中具有极好的参考和指导价值。 郑州大学硕士学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 水是生命之源。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，下一个危机就是水的危机。”全世界有1 0 0 多个国家缺水，近三分之一的人口缺乏卫生水源，全世界用水量以每年4 的速 度递增，水资源不足已严重影响了人类生存和社会发展。 我国水资源总量约为2 8 万亿立方米，居世界第6 位，但人均拥有量仅为 2 2 0 0 立方米，仅是世界人均水平的四分之一，在世界排名8 8 位，被列为1 3 个 贫水国家之一【l 】。同时，全国水资源的时空分布差异较大，加剧了一些地方水 资源短缺的严重程度。总体来讲，北方水资源贫乏，南方水资源丰富：长江流 域及其以南的河川径流量占全国七大河流总径流量的8 0 以上，人均水资源和 亩均水资源均高于全国平均水平，是水资源相对丰富的地区，而黄河、淮河、 海河三大流域水资源量只占全国的1 2 ，人均水资源只有全国平均水平的 1 5 ，仅为世界平均水平的二十七分之一。目前，北方人口约占全国总人口的 4 6 5 ，耕地占全国的6 5 ，g d p 占全国的4 7 5 ，但水资源只占全国的1 9 ，人均水资源占有量仅为南方人均占有量的四分之- - ：l 。北方地区河流断流， 地下水严重超采，大面积地下水位下降现象日趋严重。联合国亚太经合会在 2 0 0 0 年亚太地区环境状况的报告中，将我国的北方地区与中亚的里海盆地 并列为严重缺乏淡水资源的地区。由于上述人均量不足和时空分布不均的基本 特征，使水资源的合理配置成为我国经济发展长期面临和必须妥善处理的基本 问题之一。 建国5 0 多年来，我国水利建设虽然取得了较大成就，但全国水利工作面临 的形式仍然十分严峻，还存在许多问题：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【3 】。随着经济社会 的发展，我国未来水问题将更加严峻和复杂，在很多地区，水问题已成为制约 经济发展的瓶颈，我国北方地区表现尤为严重。为从根本上缓解我国北方地区 严重缺水的局面，实现我国水资源重新配置，酝酿了半个多世纪的南水北调工 2 郑州大学硕七学位论文 程终于在新世纪得以启动。2 0 0 2 年1 2 月，党中央、国务院正式批准了南水 北调工程总体规划，同年1 2 月2 7 日，南水北调水利工程正式开工建设。南水 北调水利工程总体规划推荐东线、中线和西线三条调水线路。通过三条调水线 路与长江、黄河、淮河和海河四大江河的联系，构成以“四横三纵”为主体的 总体布局，以利于实现我国水资源南北调配、东西互济的合理配置格局。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，南水北调水利工程是我国优化水资源配置的重要基础性设施。 南水北调水利工程兼有跨流域、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 态和社会效益【2 】。 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o 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。以中线工程为例，全长1 2 6 7 千米，跨越大小河 流1 6 0 余条，整个工程中的各类交叉建筑物1 8 0 0 多座，其中长达3 q 千米的 穿黄工程，更是国内外少有先例，一旦某个重要环节遭受震害损坏，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。因此， 确保南水北调工程的抗震安全性意义十分重大【4 】。开展大型渡槽结构地震反应 分析理论研究具有重要的现实意义。 1 2 渡槽国内外研究现状综述 渡槽由渡槽槽身、支架、支座等部分组成，是跨越河流、道路、山谷等的 架空输水建筑物，是南水北调大型水利工程中的重要交叉建筑物，从抗震角度 看，渡槽与桥梁的主要差别是巨大水槽内水体形成的“头重脚轻”，这是一种对 郑州大学硕士学位论文 抗震不利的结构形式。在南水北调工程中线总干渠中，大型渡槽交叉建筑物就 有数十座，且大部分位于地震烈度7 度及以上的地区，有的还在地震高发区， 这些建筑物的抗震设计，对整个工程的安全与经济有着十分重要的影响。当大 型渡槽通过地震区时，如何确保这些大型渡槽在地震作用下的安全，是关系到 国计民生的重大f q 题【5 1 。渡槽在其设计年限内，不仅受到水压、自重等静力的 作用，还受到风、地震等动力荷载的作用，确保渡槽在荷载作用下的正常使用， 具有十分重要的意义。我国原水工建筑物抗震设计规范嘲( s d j l 0 7 8 ) 编制说 明中指出：“渡槽等水工建筑物，由于缺少动力特性资料及实际运用经验，还不 能在本规范中概括，有待于进一步积累资料，于今后修订时逐步补充。”现 行的水工建筑物抗震设计规范t t l ( d l 5 0 7 3 1 9 9 7 ) 仍未提及渡槽结构抗震设计， 致使我国渡槽结构抗震设计无所遵循。 国外关于大型渡槽结构的研究文献不多，相关研究集中大型渡槽结构选型、 优化设计、模型试验和防渗修复等方面i s l 。【1 1 1 ，而有关渡槽结构动力分析及抗震 计算涉及极少。文献 1 2 1 3 1 4 探讨在施工过程中采用的几种新的技术；对 于渡槽结构的研究集中在渡槽结构的施工工艺、配合比设计、模板设计、伸缩 缝、防渗修复等方面。 文献 1 5 根据南水北调中线穿黄河段的地形地质条件、黄河的洪水泥沙特 性和穿黄工程规模大、技术复杂的特点，进行多种方案的研究分析比较，推荐 采用三向预应力矩形薄腹梁渡槽、下部结构为柱式墩、混凝土灌注桩基础。文 献 1 6 从u 形渡槽的槽身横截面、耐久性、抗震、桩基础、施工设计以及两个 渡槽共用槽墩基础不均匀沉降等问题，研究分析了南水北调中线穿黄u 形渡槽 方案；并从近1 0 年具体参与工作的角度，对其主要技术问题进行了分析研究和 归纳。 1 2 1 渡槽结构动力建模研究 随着南水北调水利工程的动工建设，渡槽结构的动力分析及抗震已经成为 一项至关重要的技术问题。 文献 1 7 分析了南水北调工程中渡槽结构的特点，介绍了渡槽抗震计算的 结构模型和分析方法，根据南水北调中线总干渠上某大型输水渡槽的抗震计算 实例，分析了大型输水渡槽在遇地震时不同分析方法的差异和渡槽的地震动响 4 郑州大学硕士学位论文 应特点。 文献 t 8 采用壳体单元和三维等参单元，对大型预应力u 型薄壳渡槽静动 力特性进行了三维有限元分析，给出了静力分析结果，并与模型试验作了对比。 结果表明：渡槽结构的最大压应力和最大拉应力均满足强度要求，最大位移也 满足刚度要求，同时进行了结构的动力特性的计算分析，为渡槽的抗震设计提 供了参考。文献 1 9 在分析简支梁式斜交矩形渡槽的结构特性的基础上，推导 出其内力及支反力的计算公式，并与正交渡槽的受力特性进行了比较。结果表 明，斜交渡槽槽身正弯矩较同等跨径的正交渡槽要小，在斜支承处还会产生负 弯矩，且反力分布不均匀，钝角处反力大于锐角处反力；随着斜度增大，正弯 矩在减小，而扭矩却在增大，具有弯扭耦合作用的特性，建议其截面型式以抗 扭能力大的箱形截面。文献 2 0 应用动力有限元方法对某渡槽工程进行了地震 时程响应分析，阐述了进行渡槽结构地震时程响应分析的具体方法，以及在地 震作用下渡槽结构动力反应的特点等问题，探索研究了渡槽结构的抗震时程分 析方法及渡槽结构有限元分析方法。 文献 2 1 应用三维动力有限元方法，分析了某多槽体渡槽结构的自振特性， 重点在自振频率、振型、动力放大系数等方面得到一些有意义的结论，可应用 在渡槽结构抗震设计。文献 2 2 2 3 应用a n s y s 有限元分析软件，对实际工程 中某大型渡槽进行了振动特性分析，计算该大型渡槽在4 种工况( 空槽、满槽、 中槽过水、边槽过水) 下的模态变化范围，可为该大型渡槽的抗震设计提供依据。 文献 2 4 应用三维有限元动力分析方法，建立了大型u 形双槽渡槽结构动力分 析有限元模型，计算其在不同过水工况下的自振特性，并采用振型分解法分别 按水工建筑物抗震设计的规范谱和穿黄工程场地危险性分析确定的场地谱计算 了渡槽的地震动力响应。结果表明：( 1 ) 槽中水体对渡槽的自振特性影响显著， 按场地谱计算的动力响应约是规范谱的3 倍；( 2 ) 支撑结构是渡槽抗震的必需 考虑的环节。 文献 2 5 研究了某大型高墩梁式渡槽在纵、横向地震作用下由于相邻槽段 的相对位移而产生的止水带张开变位值，并对广东某供水改造工程中的大型渡 槽整体进行考虑行波效应和不考虑行波效应时的有限元动力时程分析，为大型 梁式渡槽结构的止水带抗震设计提供了依据。 郑州大学硕二f ：学位论文 文献【2 6 】【2 7 】【2 8 】 2 9 】根据渡槽槽身属于开口薄壁杆件结构的特点，建立了 大型渡槽结构动力分析模型。对于渡槽槽身采用薄壁梁段单元离散，考虑渡槽 槽身横向、竖向、纵向、自由扭转变形和渡槽薄壁结构约束扭转变形，依据符 拉索夫理论，由能量变分原理推导给出渡槽薄壁梁段单元刚度矩阵、质量矩阵 和阻尼矩阵的表达式；渡槽支架采用空间梁单元模型；渡槽支架与渡槽槽身连 接的盆式橡胶支座采用弹性单元模拟，考虑局部构件；渡槽结构的边界条件考 虑支架底部固结。并利用梁段有限元建立分析模型，用结构模态分析的q r 法 计算其自振圆频率及各阶振型，计算结果与t i m o s h e n k o 弯扭耦合梁理论解符合 得很好，这表明该模型是正确的、准确的；同时利用该模型对某大型渡槽进行 了多种工况的频率计算，并对该大型渡槽结构进行了地震时程响应分析。文献 3 0 根据某大型渡槽的边界采用桩基础地基的结构特点，采用集中弹簧模型考 虑土一结构相互作用，采用上述的大型渡槽结构动力分析模型，建立大型渡槽 结构的动力方程，对比计算了考虑土一结构相互作用与不考虑土一结构相互作 用渡槽模态和地震响应的差异。计算结果表明：考虑土一结构相互作用后，虽 然对大型渡槽的模态和地震响应有所影响，但影响不显著，故对一般渡槽的动 力计算，可以不考虑土一结构相互作用的影响。文献 3 1 3 2 在总结以上研究 成果的基础上，提出了大型双槽截面渡槽结构的动力分析模型。渡槽双槽身采 用薄壁梁段单元模型，考虑了渡槽双槽身弯曲、自由扭转、约束扭转以及弯曲 扭转耦合振动等结构的自身特性；渡槽支架采用空间梁单元模拟；渡槽与支架 连接所用的盆式橡胶支座，采用线性弹簧模拟。并对实际工程中某大型双截面 渡槽结构进行了振动特性分析，探讨了该渡槽设计水位变化对大型渡槽模态的 影响及该大型渡槽在几种工况下的模态变化范围，同时计算了四种典型地震波 作用下双洎河大型双截面渡槽的横向地震响应，得到该大型双截面渡槽关键部 位的地震响应最大值。 文献 3 3 3 采用2 0 结点空间块体单元剖分渡槽槽身和槽墩；采用耦合自由度 模拟槽身横向拉杆；采用低刚度块体单元模拟渡槽槽内水体、加劲肋；采用多 弹簧单元模拟盆式橡胶支座，建立了大型双槽渡槽结构动力分析的有限元模型； 并对南水北调水利工程某大型双槽渡槽进行了多工况动力特性分析，探讨了渡 槽横向拉杆、槽内水体及笳式橡胶支座等多种因素对渡槽整体动力性能的影响。 6 郑州大学硕士学位论文 计算结果表明，渡槽横向拉杆对渡槽的横向动力特性影响不可忽略，槽内水位 的高低及分布情况对渡槽的动力特性影响很大，盆式橡胶支座竖向刚度在一定 范围内影响渡槽的动力特性。 文献 3 4 根据东深供水改造工程中某渡槽为研究对象，对比分析了大型预 应力u 形渡槽结构动力特性，研究该渡槽结构在m e x i c o 强震激励下的振动反 应，获得了丰富的渡槽中动水压力资料。研究表明常规的抗震设计方法可以满 足小型渡槽结构的抗震设计要求，而大型渡槽中水体的大幅晃动作用较大程度 地改变了水压力、槽体应力的分布和数值，对渡槽中预应力钢筋不利，在渡槽 的抗震设计中，动水压力应该作为一项主要的外荷载予以考虑。文献 3 5 应用 拉格朗日一欧拉( a l e ) 有限元方法对比分析了大型三维排架支撑矩形、u 形渡槽 结构的地震响应，获得了渡槽中动水压力资料。研究表明，渡槽中水体的晃动 幅度十分显著，水体的大幅晃动显著地改变两种截面形式渡槽中的水压力、槽 体应力值及u 形渡槽动水压力和应力分布，对矩形渡槽动水压力和应力分布规 律影响不大，动应力分布的改变直接影响到大型预应力u 形渡槽结构中预应力 钢筋的有效性。在渡槽的抗震设计中，应充分考虑u 形渡槽动水压力和动应力 分布的变化问题，动水压力应该作为一项主要的外荷载予以考虑。 文献 3 6 3 7 3 8 通过对一高墩渡槽横槽方向水平地震反应的研究表明： 水体的晃荡作用有明显的t l d 效应，能够有效地减小渡槽的地震反应；若将水 体视为刚体，质量全部加到槽体上，夸大了水的地震惯性力的作用，是不合适 的；设置橡胶支座具有明显的t m d 减震作用。文献 3 9 进行了单跨渡槽的空 间非线性晃动波高计算，但计算单元划分过多，计算时问过长，对进行大型多 跨渡槽结构的弹塑性地震响应时程分析计算时造成困难。 文献 4 0 应用流体势流理论与结构的振动理论，通过流固耦合简化分析，导 出了渡槽承重简支梁的湿频率及湿振型估算公式和结构竖向地震响应的时程计 算公式，应用反应谱法，得到了作用于结构的等效竖向地震荷载估算公式，做了 几项数值算例，分析结果表明：( 1 ) 由于附连水质量的影响，梁的湿频率比其干频 率要低，但湿振型与其干振型完全相同；( 2 ) 水质量在结构竖向地震响应中起着 重要的作用，竖向响应的幅值随着不同的场地而发生改变，一般水越深，结构的 响应越大；( 3 ) 在7 度设防时应考虑竖向地震的作用。文献 2 6 建立了考虑槽身与 郑州大学硕士学位论文 水相互作用的渡槽有限元动力分析方程，当不考虑水体的压缩性时，可将水的作 用视作为作用在槽身内壁的附加质量，从而导出了求解渡槽自振特性的简化分析 方法。文献 4 1 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，使得整个渡槽流一固耦合系统具有统一的有限元计算 模式。 文献 4 2 4 3 应用边界元法计算强震下流体的非线性晃动及其对槽身的水 平力，及翻转力矩的影响，将所得数值结果与线性解析方法( h o u s n c r 方法) 的计算 结果作了比较。结果表明：当振幅较小时，按非线性边界元法计算所得结果与线 性结果吻合良好；当强震下液体振幅增大时，非线性模型与线性模型的结果在总 趋势及作用力方向上大体相同，在计算流体波高反应时，线性解一般低估了波高 幅度：在计算流体对槽身的作用时，线性解与边界元( 非线性) 解在整个时域上有 所不同，但线性理论通常能合理地估计对槽身作用的最大值，与边界元( 非线性) 解极为接近。于是对于小震，应用线性解法( h o u s n e r 方法) 可以给出较准确的结 构反应值：而对于强震，应用线性解( h o u s n c r 方法) 也能够给出诸如结构内力数值 范围、地震反应的趋势，以及对大型渡槽的抗震设计有参考价值的数据资料等。 文献 4 4 4 5 把任意拉格朗日一欧拉( a l e ) 方法用于分析大型矩形渡槽结构 一水耦合体动力性能，并针对不同的水位、不同截面深宽比，研究了渡槽结构 在谐波激励、地震激励下的振动反应。结果表明：渡槽结构中水体的泼溅具有 明显的非线性特征；渡槽中水位对耦合体动力特性影响极具规律性，随着截面 深宽比减小，水体振荡的非线性明显增强；如果渡槽结构截面深宽比选择合理， 水体泼溅作用产生的倾覆力矩不会使槽体发生倾覆失稳，但是水体的大幅晃动 产生的动水压力对渡槽槽身应力有显著的影响，在渡槽抗震设计中应给予足够 重视。 文献 4 6 儿4 7 根据渡槽槽身的薄壁结构特性，建立了考虑渡槽槽身横向、 竖向、纵向、自由扭转变形，和渡槽薄壁结构约束扭转变形以及槽内有水时水 体对槽身的流一固动力相互作用的动力分析模型，并依据符拉索夫及豪斯纳理论 建立了考虑槽内水体与槽身动力相互作用的渡槽薄壁结构横向动力分析模型， 由能量变分原理推导给出渡槽薄壁梁段单元刚度矩阵及质量矩阵表达式，通过 数值算例验证了该模型的正确性；利用该模型对某大型渡槽进行了多种工况的 郑州大学硕十学位论文 频率计算，计算结果表明该大型渡槽在无水和设计水位时，其振动频率有所变 化。该模型计算简单，是一种考虑渡槽槽内水体横向流一固动力相互作用的实用 动力分析模型。 1 2 2 渡槽结构隔震减振技术 传统结构抗震设计是依靠增加结构自身的强度、变形能力，尽管通过适当选 择塑性铰位置和细部构造设计可以防止结构的倒塌，但结构构件的损伤是不可避 免的。与延性抗震设计相比，减隔震设计可以减小结构所受内力，保护结构免受 地震破坏，提高结构的安全性。 桥梁中采用减隔震支座可以延长结构自振周期和耗散地震能量，从而减轻地 震对下部结构的作用，可以显著提高结构在遭遇地震时的安全性，减轻结构破坏。 文献 4 8 4 9 1 介绍了所研制的新型减震橡胶支座及其滞回阻尼性能，用非线性地 震反应分析程序对装有橡胶支座多跨连续梁桥进行了纵桥向非线性地震反应分 析。文献 5 0 1 研究了减隔震技术对提高桥梁结构抗震安全性的作用，采用有限元 非线性动力分析程序，对设置板式橡胶支座、铅芯橡胶支座的桥梁结构进行了非 线性时程分析，分析中考虑了桥梁结构与减隔震支座的非线性特性，结果表明铅 芯橡胶支座较板式橡胶支座具有较好的抗震性能。文献 5 1 对于桥梁结构的隔 震、耗能装置采用w e n 所提出的微分型恢复力模式，并推导出桥梁隔震体系非线 性地震反应计算公式，分析了这些隔震、耗能装置对于连续梁桥的隔震作用。文 献 5 2 采用有限元程序分析了减( 隔) 震铁路简支梁桥的地震反应特点，隔震支 座采用铅芯橡胶支座( l r b ) ，计算结果说明，采用减( 隔) 震支座后除桥身的位移 反应外，桥梁结构的内力和位移都大为降低，改善了桥梁结构的受力情况。 文献 5 3 分别采用非线性水平和转动弹簧模拟减隔展支座的特性，证明了减隔震 支座的良好减震效果。文献 5 4 5 5 5 6 介绍工程中的隔震支座并对隔震支座的 设计参数进行研究，得到了较合理的取值范围和选择原则。文献 5 7 将支座作为 非线性单元对4 跨连续桥梁进行纵向地震响应计算。文献 5 8 建立了连续桥梁隔 震体系全桥模型，对铅芯橡胶隔震支座的地震响应进行研究。 文献 5 9 以在槽墩与上部结构之间设置了两类支座一普通叠层橡胶支座( 线 性刚度) 、叠层橡胶聚四氟乙烯叠层滑板支座( 非线性刚度) 的梁式渡槽为对象， 采用非线性时程分析法研究水平地震作用，结果表明，设置橡胶支座对渡槽结构 9 郑州大学硕士学位论文 的地震响应有明显的控制作用，对渡槽设计有一定的参考价值。文献 6 0 结合设 计中的南泉水河渡槽结构，将隔震耗能混合减震支座应用于渡槽结构，将渡槽槽 墩结构简化为顶部具有集中质量的单柱结构，槽体简化为刚体，采用h o u s n e r 模 型模拟槽内水体的影响，计算比较分析了该控制结构和没有控制支座的常规结构 进行了地震反应。 文献 6 1 6 2 应用w e n 微分型恢复力模型与双线性恢复力模型，分别模拟 铅芯橡胶隔震支座的非线性滞回恢复力特性，采用时程分析的方法对南水北调 水利工程中某大型渡槽进行了横向地震非线性反应分析。计算结果表明：两种 方法计算所得结果相符。采用铅芯橡胶支座隔震后，渡槽上部结构运动特性得 到改善：地震反应加速度减小，槽身与支座的相对位移减小。槽身近似作刚体 平动，槽墩墩顶位移、加速度及墩底弯矩、剪力减小。研究表明设置铅芯橡胶 支座对渡槽的横向地震起到了明显的控制作用，计算结果对渡槽结构减隔震设 计提供参考价值。 文献 6 3 建立渡槽结构梁段动力分析整体模型，不仅考虑了流固耦合，也 考虑了槽身为开口薄壁结构的特性，采用势能驻值原理，利用变分法推导出了 考虑剪力滞影响的渡槽结构渡槽单元刚度矩阵和单元质量矩阵。对比分析了不 考虑剪力滞影响和考虑剪力滞影响的渡槽非线性地震反应，分析表明：剪力滞的 存在使得渡槽地震反应增大，对渡槽跨中位移的影响比渡槽支座位移影响要小。 1 2 3 渡槽结构其它方面研究 文献 5 6 4 以最小余能原理，提出计算空间结构动态应力的最小余能法。 同时采用常规有限元法求出渡槽结构需要计算部位周围处的有限元结点位移和 加速度，然后利用最小余能法对南水北调水利工程中某大型渡槽槽身结构的动 态应力进行了计算。结果表明：采用最小余能法计算悬臂梁结构在地震动作用 下的动态应力结果与作者的方法较接近；常规有限元法的动态应力计算结果比 理论解出现较大的偏差，利用最小余能法计算的动应力更符合实际。 文献 5 6 4 通过3 个c 5 0 级高强混凝土渡槽支架构件模型和4 个部分预 应力混凝土槽身模型在低周反复荷载作用下的拟静力抗震性能试验，从试验现 象、结构破坏特征、荷载一位移滞回曲线、应力和位移变化曲线以及结构延性 系数等几个方面探讨了高强混凝上渡槽支架的抗震性能。结果表明，在试验条 1 0 郑州大学硕士学位论文 件下，高强混凝土支架、预应力混凝土槽身具有较好的抗震性能，结构延性能 够满足工程抗震要求。 抗风可靠度对于渡槽结构也是一个非常重要的研究问题。文献 6 5 提出了 对于渡槽结构进行抗风可靠度分析的方法；文献 6 6 对矩形和u 形渡槽槽体在 均匀流场和湍流场中各取不同的高宽比进行了风洞试验，分别测量了槽内有水 和无水两种情况下槽体各个部位的风压系数，进而算得了渡槽结构的风载体型 系数。试验结果表明：湍流对渡槽槽体结构风载体形系数有显著影响，研究成 果可为渡槽结构的抗风设计提供参考依据。文献c 6 7 了分析了某渡槽的抗震可 靠度，首先用有限元方法对渡槽结构进行了随机振动分析，然后提出了一种以 挠度为控制参数的渡槽结构抗震可靠度分析方法，再应用该方法对南水北调工 程某渡槽进行抗震可靠度分析，得出了一些有意义的结果。文献 6 8 对排架支 承式渡槽结构的自振特性进行了分析、研究，得出了排架支承式渡槽结构自振 特性的一些规律，为渡槽结构的抗风设计提供了参考依据。 文献 6 9 基于三维随机有限元方法，分析了南水北调中线工程某梁式渡槽 矩形槽身可靠度对混凝土的强度参数的敏感性。计算结果显示，槽身可靠度对 抗压强度( r c ) 更敏感，且在可靠指标较低的槽身危险部位，r c 的敏感性较其他 部位小；可靠指标对r c 均方差的敏感性远比对r c 均值的敏感性大。分析表明， 一昧增大材料的抗压强度，槽身可靠性未必能得到与之相称的改善，而且槽身 各部位的可靠指标将变得过于悬殊，不利于充分利用材料的强度；提高施工质 量比提高混凝土的抗压强度能更有效地改善槽身的可靠性。 文献 7 0 针对目前进行渡槽结构风险分析尚不多见的情况，以南水北调中 线工程某梁式渡槽为例，分析阐述了渡槽结构的破坏失效风险；并按渡槽下部 摩擦桩与土体之间，上部槽身各部位，如侧板、底板、底梁等，逐一进行了其 可能的破坏模式的分析，建立了相应的功能函数，在考虑相同部位各破坏模式 之间具有相关性的条件下，计算出各部位的可靠指标。最后，把上部槽身作为 整体，运用三维随机有限元进行三种工况下槽身的可靠性分析，得出了若干有 益的结论。 郑州大学硕士学位论文 1 3 有限条法研究现状 1 9 6 8 年y k c h e n n g 教授创立了结构有限条分析法，并成功应用于简支板 的计算，从精度和效率方面看，被认为是分析简支桥面结构的很有前途的好办 法。随后p o w e l l 和q g d e n ( 1 9 6 8 ) 将此法应用到板桥的分析中，拉开了有限条 法在桥梁结构分析中应用的序幕。继而用有限条法分析箱梁桥、连续桥、梁结 构、加肋板、振动问题、稳定问题等也逐步发展起来。y k c h e u n g 、p o w e l l 和 o g d e n 的方法被s c o r d e l i s ( 1 9 7 1 ) 和他在伯克利的加利福尼亚大学的同事用来研 究直线的和曲线的箱型结构；y k c h e u n g ( 1 9 7 0 ) 和其他同事运用分条方法分 析有中间柱支承的板式桥面、简支曲板和箱型桥( 1 9 6 9 、1 9 7 1 ) 以及对一些简 单的连续矩形板( 1 9 7 1 ) 的频率分析等进行了研究工作。但y k c h e u n g 的其它 研究，如对具有端部边界条件( 不是简支) ( 1 9 6 8 ) 和沿跨向市变截面的矩形板 ( 1 9 7 0 ) 的分析及b r o w n 和g h a l i ( 1 9 7 2 ，1 9 7 4 ) 提出的斜交板桥面的有限条 分析，与有限元分析的方法比较时不能令人满意。y k c h e u n g 在1 9 7 6 年对有 限条法在桥梁工程中的应用以及研究成果进行总结。在后来的2 0 多年中，有限 条法的应用范围不断拓宽，不仅应用到各种复杂结构分析中，还在非线性分析 方面显示出优势。随后发展了有限层法、有限棱柱法和样条有限条法，并得到 广泛应用。如z i e n k i e w i c z 和t o o ( 1 9 7 2 ) 的厚壁简支箱有限棱柱( 厚条) 的分 析；c h a r t 和y k c h e u n g ( 1 9 7 2 ) 得多层夹芯薄板的精力和动力分析， p r z e m i e n i e c k i w i t t r i c k ( 1 9 7 3 ) 与其合作者( 1 9 7 4 ) 的箱型结构的初始屈曲分析； d e i p o l i 和r a m p i ( 1 9 7 4 ) 的箱型结构的粘弹性应力分析：以及y k c h e u n g 、 y k c h e u n g 和h u t t o n ( 1 9 7 5 ) 的双肢剪力墙的频率分析【7 l 】。 文献 7 2 7 3 7 4 7 5 在有限元基础上，介绍了解决工程中常见的具有规 则几何形状和简单边界条件的结构问题的有限条法基本理论；文献 7 1 】介绍了 有限条法在桥梁工程的应用，重点讨论了多种型式桥梁结构的有限条分析方法。 文献 7 6 不仅介绍了有限条法的基本理论，并提出了板和壳问题的多种不同的 有限条，可使三维问题降为n - 维，二维问题降到一维，节省计算时间。 文献 7 7 7 8 采用有限条法和弹簧体系分析弹性支承结构的弯曲问题，通过 弹簧模型分析，弹簧体系可以有效地模拟各种弹性支承体系，如文克尔弹性地基 和双参数弹性地基，还可以模拟各种内支承和复杂边界条件，用线型弹簧模拟内 郑州大学硕士学位论文 支承，对连续板结构进行了数值分析并与经典解进行了比较，同时对弹性地基板 进行了计算。数值结果表叽这种方法可适应多种弹性支承结构的分析。 文献 7 9 将动态有限元的概念应用于有限条，提出了适合结构动力分析的 动态有限条法，并用算例验证其理论及方法的正确性与动态有限元相比该方法 更适合微机分析高层结构的动力特性。 文献 8 0 】建立了框支剪力墙结构的非线性有限条法计算模型，根据框支墙 中钢筋的特点，确定了钢筋与混凝土的材料组合模型，导出刚度矩阵的计算公 式，使框支剪力墙结构的非线性有限条法分析成为可能。 文献 8 1 在变厚度任意配筋的钢筋混凝土板壳考虑材料非线性分析的有限 条法的基础上，将几何非线性的影响引入到钢筋混凝土板壳的有限条分析中，利 用拟刚度矩阵法，消除了有限条法在非线性分析时刚度矩阵与级数项的耦合，大 大简化了有限条在处理非线性问题时的数值计算。 文献 8 2 采用考虑了横向剪切变形和转动惯量的厚板条的各阶振型作为有 限条的条向连续函数，而质量矩阵计入转动惯量。用此有限厚条法分析多层复合 板的横向振动，推导出刚度矩阵。 文献 8 3 采用半解析有限元法建立了用u 型薄壳渡槽稳定性分析的柱壳有 限条元模型，推导出了稳定性问题的特征方程，确定了渡槽结构失稳的临界应力， 编制了相应的计算程序，通过与简支的单向受压板和四边简支单向纯弯板的稳 定性问题的理论解的对比，验证了模型的合理性和精确性。计算结果说明，以结 构的最大压应力小于失稳临界应力为准则，可对预应力u 型薄壳渡槽稳定性进 行判断。 对于大型渡槽结构这种水工建筑物，采用有限条法开展的研究还很少。由于 渡槽槽身具有规则的几何形状，符合有限条法的应用范围。可以依据有限条法基 本原理对大型渡槽结构地震响应分析展开研究。 1 4 本文的主要研究工作 目前，对大型渡槽的研究大都是采用有限元理论进行分析的。鉴于矩形渡