基于泄流振动响应的结构振动反分析与安全评价研究

摘要

我国的高坝建设规模居世界首位，这些已（在）建的拱坝在坝高、泄流量和泄洪功率等方面已居世界领先水平。泄流结构在宣泄洪水时，由于强烈紊动的水流往往具有很大的动能，极易导致泄水结构的剧烈振动甚至结构发生破坏。近年来，高速泄洪水流诱发泄流结构振动，从而影响工程运行安全，严重时会导致破坏的实例屡见不鲜。研究发现，泄流结构破坏的原因主要包括两个方面：结构动位移超过振动安全标准；结构动应力响应过大导致振动疲劳破坏。因此，获取流激振动下的泄流结构的动位移值和动应力值，是评价泄流结构能否正常工作的重要依据。对泄流结构开展原型振动测试时，由于实测动力响应点数量是有限的，难以全面反映整个结构的振动响应特征，因此如何根据有限的实测点，反馈出整个结构的动力响应，尤其是针对水下结构的的动应力响应，进而对泄流结构运行安全评价具有重要意义，也是本文研究的主要问题，主要从以下三个方面展开研究：
　　（1）通过对导墙模型的数值模拟，验证反分析方法的可行性。由于诱发导墙振动响应的水动力荷载是未知的，首先，本文以一典型水动力荷载作为输入，建立ANSYS有限元数值模型进行瞬态分析，从中提取测点的动位移响应时程，将其作为反分析方法的已知条件；其次，将这些测点的动位移响应谱作为已知输入，编制反分析基本程序，反演出诱发导墙振动响应的水动力荷载，实现了振源的识别，并将该动水荷载的实测值和计算值作对比，验证反分析方法的可行性；最后，再根据识别出的动水荷载正分析计算整个导墙结构的整体动位移响应均方根值，并进行了对比验证，同时基于模态叠加法，反演出整个结构的动应力响应。反演结果与瞬态响应计算结果对比表明，误差均控制在5％以内，验证了泄流结构振动响应的反分析方法是有效而可行的。
　　（2）开展了基于有限测点的二滩拱坝原型动态响应场反演研究。以二滩拱坝原型工程为例，针对拱坝的六种不同泄水工况，开展了动位移振动响应测试，根据有限测点的动位移实测结果，实现了整个坝体的动位移场和动应力场的反演。通过每种工况下实测二滩拱坝B1~B7测点动位移响应时程，反分析拱坝泄流时所受三个等效动水荷载，该过程引入遗传算法，优化了识别结果。基于反演出的三个等效荷载进行正分析，计算出拱坝泄流时的整体动位移场，并与已知测点的动位移响应均方根进行了对比验证。基于模态叠加法，对上述六个工况的拱坝原型结构的整体动应力场进行了反演，得出坝体的整体动应力，并对坝体应力较大部位的动应力结果进行了分析。反演结果表明：①拱坝同一高程拱圈上各节点动位移响应均方根值呈现“中间大，两边递减”的变化趋势；②拱圈上的切向动应力响应变化趋势和动位移响应类似；③拱冠梁上各节点的切向动应力均方根值随高程的下降逐渐减小；竖向动应力均方根值随高程的升高逐渐增加。
　　（3）对现有的工程结构振动安全评价标准进行了调研和整理分析，并结合二滩拱坝原型工程整体动位移场和动应力场的反演结果，对二滩拱坝在该六种工况下的运行安全进行了评价，结果表明，二滩拱坝在该六种工况下的泄洪振动是安全的。

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第1章 绪论

1.1 课题来源

1.2 问题的提出

1.3 泄流结构流激振动国内外研究现状

1.4 结构振动安全评价国内外研究现状

1.5 本文的主要研究内容

第2章 泄流结构振动响应的基本理论

2.1 模态分析理论

2.2 泄流结构振动响应的谱分析方法

2.3 泄流振动响应反分析方法

2.4 最优化算法

2.5 模态叠加法原理

第3章 泄流结构振动响应反分析数值模拟验证

3.1 位移场反演的数值模拟

3.2 结构动应力场反演的数值模拟

3.3 本章小结

第4章 基于有限测点的二滩拱坝原型振动响应场的反演

4.1 工程概况

4.2 二滩拱坝动位移场反演

4.3 二滩拱坝动应力场反演

4.4 二滩拱坝振动安全评价

4.5 本章小结

第5章 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间研究成果