高位混凝土水塔液-固-土耦合动力响应及其减振方法研究

摘要

高位混凝土水塔是生命线工程中一类常见的特种结构，战略意义十分重要；同时，高位混凝土水塔属于复杂的液-固-土耦合系统，水箱内的液体晃动以及基础与土的相互作用都会影响水塔的动力响应。因此，研究考虑液-固-土耦合时高位混凝土水塔的地震、风振动力响应对高位混凝土水塔的工程设计更具参考意义。本文以高位混凝土水塔为研究对象，利用有限元软件建立了水塔-地基有限元模型，主要研究了高位混凝土水塔在考虑液-固-土耦合时的自振特性以及在地震、风场作用下的动力响应规律和减振措施。具体如下： （1）首先对高位混凝土水塔液-固耦合动力分析理论和液-固-土耦合动力分析理论进行了研究。之后分别建立了高位混凝土水塔模型和高位混凝土水塔-地基模型，并对其进行了模态分析。通过对比其前 10 阶频率可以发现：不考虑地基效应的高位混凝土水塔模型的前10阶频率均比高位混凝土水塔-地基模型的前十阶频率大，即考虑地基土体时，整个水塔-地基体系的周期会延长。 （2）为了研究考虑液-固-土耦合时高位混凝土水塔在近场有脉冲、近场无脉冲以及远场长周期地震作用下的地震动响应规律，建立了不同储液率的高位混凝土水塔-地基有限元计算模型，并对其进行了动力时程分析。计算结果表明：考虑液-固-土耦合时，高位混凝土水塔在近场有脉冲、近场无脉冲和远场长周期地震波作用下表现出不同的响应特征。近场有脉冲地震波作用下高位混凝土水塔结构的地震动响应最为剧烈，远场长周期次之，近场无脉冲最小。 （3）采用线性滤波法，利用MATLAB完成了随机风场的模拟。然后利用有限元软件分别建立了考虑液-固-土耦合的水塔-地基模型、考虑液-固耦合的水塔模型和不考虑液-固-土耦合的水塔模型，并对三种不同假定下的有限元模型输入随机风场，研究其在随机风场作用下风振响应规律。最后通过分析三种模型的风振响应，研究土体和液体对水塔风振响应的影响。结果表明：考虑液-固-土耦合时，水塔的风振响应与另外两种假定下的风振响应差异较大；对于位移响应，考虑液-固-土耦合时最为剧烈，不考虑液-固-土耦合时次之，只考虑液-固耦合时最小；对于速度、加速度、应力响应，不考虑液-固-土耦合时最大，考虑液-固-土耦合时次之，只考虑液-固耦合时最小。 （4）研究了考虑液-固-土耦合时高位混凝土水塔在地震-风场作用下的动力响应规律。之后研究了两类附加环形 TLD 的高位混凝土水塔的动力响应，对比了两种调谐液体不同的环形TLD的减振效果。结果表明：在风场-地震同时作用下高位混凝土水塔的动力响应均大于地震、风场单因素作用时的动力响应，即风场-地震同时作用会放大水塔的动力响应，产生更严重危害；两类环形 TLD 对高位混凝土水塔的减振效果均比较显著，选用饱和浓盐水作为TLD调谐液体时减振效果比选用纯水时要更好。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

1.2 国内外研究现状综述

1.3 本文的研究内容

1.4 本文的技术路线

第2章 高位混凝土水塔液-固-土耦合动力分析理论

2.1 概述

2.2 高位混凝土水塔液-固耦合动力分析理论

2.3 高位混凝土水塔液-固-土耦合动力分析理论

2.4 数值算例

2.5 本章小结

第3章 高位混凝土水塔液-固-土耦合地震动响应分析

3.1 概述

3.2 地震波的选取与输入

3.3 地震波频谱分析

3.4 高位混凝土水塔液-固-土耦合地震动响应

3.5 高位混凝土水塔液-固耦合地震动响应

3.6 本章小结

第4章 高位混凝土水塔液-固-土耦合风振响应研究

4.1 概述

4.2 随机风场的模拟

4.3 计算结果和结果分析

4.4 本章小结

第5章 风场-地震作用下高位混凝土水塔液-固-土耦合动力响应及其减振方法

5.1 概述

5.2 风场-地震作用下高位混凝土水塔的动力响应

5.3 高位混凝土水塔环形TLD减振方法

5.4 本章小结

结论与展望

结论

展望

参考文献

致谢

附录A 攻读学位期间所发表的学术论文

附录B 攻读学位期间所参与的科研项目