大型渡槽结构地震响应分析

1、 湘潭大学 XiangTan University 专业：工程力学 学号：2012800906 王宁答辩人：张为民导师： 目 录 2.研究方法及过程 3.论文总结与展望 1.选题背景及意义 选题背景及意义 - 选题的背景 - 选题的意义 1 1 1.选题背景和意义 渡槽是跨越河流、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 组成部分，仅在南水北调中线工程的总干渠中，大型渡槽交叉建筑物就有数十座，且大部 分位于地震烈度为7 度及以上的地区，有的还在地震高发区。渡槽在其设计使用年限内， 不仅受到水压、自重等静力载荷的作用，还会受到风、地震等动力载荷的作用，对渡槽安 全极为不利。目

2、前，关于渡槽承受静力载荷作用下的研究开展较多，而对渡槽在动力载荷 作用下的研究开展较少。本文就对对南水北调工程中某大型渡槽作地震响应分析。 研究方法及过程 - 研究方法 - 研究过程 2 2 3.研究方法 有限元模态分析理论 对于特定的模型,需要选取适当的模态提取方法，否则将可能得不到正确的模态结果或者造成模态的遗漏。适当 的提取方法还可以比较有效地提高计算效率，降低计算成本。本文采用子空间法。 渡槽结构特征方程： 令F(t)=0,得到自由振动方程： 在实际工程中，阻尼对结构自振频率和振型的影响不大，因此可进一步忽略阻尼力，得到渡槽结构无阻尼自由振 动的运动方程为: 式中MK为渡槽结构的整体质

3、量矩阵刚度矩阵；u为位移向量; 为加速度向量。 设结构做下述简谐运动 将方程代入运动方程，可得： 式中 为自振频率， 为初始相位角。 上式即为结构振动的特征方程，模态分析就是计算该方程的特征值 ，及其对应的特征向量 ，它们分别表示 渡槽结构的自振频率和主振型。 )(tFuKuCuM 0uKuCuM 0uKuM u )cos( tu i i tucos 0 2 MK 3.研究过程 本文以洺河渡槽实际工程为例,首先,根据其工程概况及地质情况进行了结构选型及设计计算。其次,利用有限元软件 ANSYS建立该渡槽的空间有限元模型,并分析自重情况下结构的变形位移和受力,获得渡槽结构的静力性能。第三,进行了

4、 渡槽结构的地震反应分析:模态分析,列出了有限元模型前10阶自振特性及相应的振型特征;时程分析,输入宁河天津波对渡 槽结构进行地震动力时程分析。通过以上静力及地震反应分析对该工程设计计算进行了验证。 有限元模型 （1）计算假设和简化。 1）不计渡槽水体的影响。 2）约束渡槽槽体与邻跨连接处的x 方向自由度，以模拟邻跨的影响。 （2）单元类型的选取。 渡槽由槽身、槽墩、支座等部分组成，在本例渡槽结构中分底部纵梁、底部横梁、渡槽边墙板、中墙板、顶梁、顶部 拉杆及槽墩，针对渡槽结构的型式特点及各部件的受力特性，采用不同类型及几何特征的单元对各部件进行模拟。 3.研究过程 渡槽网格 渡槽双墩模型 渡槽

5、建模 3.研究过程 渡槽约束情况 边界条件： 将槽体两侧节点x 方向的自由度约束，以 模拟邻槽的影响。 3.研究过程 等效应力云图 从图中可以看出最大位移为0.008863，最大等 效应力为24.4MPa。在漕身与渡槽支座连接的附近， 明显可以看出该部分的等效应力比其他地方大的多， 尤其是边墙板和中墙板在与支座的连接处等效应力 最大，因此此处应特别注意，要对该处进行加强， 以提高渡槽在地震时的安全性。 3.研究过程 振动阶数振动阶数频率频率/Hz/Hz振动阶数振动阶数频率频率/Hz 13.438467.9497 24.619078.2886 35.987288.6283 46.746198.9

6、114 57.5656109.1924 渡槽各阶振动频率结果 通过上表，对结构的固有振动特性有了一定的了解。接下来使用瞬态动力学分 析对结构进行地震激励的时程响应分析。 3.研究过程 合位移云图 在具体操作中，循环读入地震数据并求解；设置时间 步；求解后从结果文件读入最后一个子步数据，然后显示 合位移云图与等效应力云图。 从图可知最大合位移为0.001164，中墙板的位移相 对比边墙板和支座的位移大。 3.研究过程 等效应力云图 从图中看，中墙板与支座的连接处出现最大应 力3MPa，且中墙板与支座连接处比边墙板与支座 连接处的应力明显较大，因此此处需要比其他地方 注意加固，以此提高渡槽的安全性

7、。 3.研究过程 三个节点的x 向位移随 时间变化曲线 三个节点x 向速度随时间 变化曲线 从曲线中可知，在地震前期和后期，x方向的位移和速度变化 不是很剧烈，在地震中期时，位移和速度曲线的振幅突然明显变 得很大，此时最容易发生破坏。 输出的三节点曲线具体过程为：盆式支座上一 节点的X 向位移数据；盆式支座上一节点的Y 向位 移数据；槽底中间节点的X 向位移数据；槽底中间 节点的Y 向位移数据；槽体顶部中间节点的X 向位 移数据；槽体顶部中间节点的Y 向位移数据。 对顶点节点的X 向位移微分运算，得到X 向速 度；对顶点节点的Y 向位移微分运算，得到Y 向速 度；对墩中间节点的X 向位移微分运

8、算，得到X 向 速度；对墩中间节点的Y 向位移微分运算，得到Y 向速度对墩下面节点的X 向位移微分运算，得到X 向速度；对墩下面节点的Y 向位移微分运算，得到Y 向速度。 3.研究过程 三个节点y 向位移随时间变化曲线 三个节点y 向速度随时间变化曲线 从曲线看出，地震随着时间的变化，开始时的一段时间内y向位移和速度振幅变化 起伏较小，在接下来的时间内振幅变化加剧，最大位移和最大速度总体上都在增加， 这对结构的安全性起到了威胁的作用。 论文总结与展望 - 总结 - 展望 6 6 4.总结 1 2 3 在考虑多点地震动输入的情况下，纵梁- 桥墩的相对位移明显比一致地震输入下 有所增加。纵梁质量、

9、桥墩截面刚度及 等效阻尼值对墩梁的相对位移作用较大。 在大跨度桥梁结构设计时，须要整体性 的考量三者的影响，以此选择出最符合 现实情况的组合，避免发生落梁破坏。 通过对该渡槽进行模态分析,列出了有限元模型前10阶自振 特性及相应的振型特征,从而知道该渡槽结构是刚性结构,其 横向刚度小于其整体竖向刚度和扭转刚度,第一振型以横向 平动为主。 输入您的文字 通过对该渡槽进行动态时程分析，可以得出以 下结果:渡槽在地震荷载作用的工况下受力情 况最为不利,但其应力远小于混凝土抗压强度 设计值,并且渡槽结构的最大位移值小于结构 容许位移,可知道满足渡槽结构抗震安全要求(8 度设防)。所以，渡槽结构在此情况下式偏于 安全的。 展望 大型渡槽结构的隔 震非线性研究； 大型渡槽结构在纵向地震荷 载作用下地震反应研究； 大型渡槽抗震可靠 度研究； 考虑土结构相互 作用对渡槽结构的 动态方面的影响； 大型渡槽在不同工 况下的抗震性能分 析。 大型渡槽结构的弹 塑性地震反应研究； 1 展望 大型渡槽结 构的抗震研究一 直以来都是非常 复杂的问题，本 文只对该项课题 做了一些比较浅 显的研究，除此 之外，还有非常 多的问题需要进