考虑行波效应时冷却塔结构的地震响应分析

摘要

普通建筑物在进行地震反应分析时，常用的方法是将下部地基视作刚体，并忽略地震波实际传导至各个支承点处的时间差问题，采用一致激励的地震动输入方法，但是冷却塔作为大跨度结构，直接采用刚性地基假设是不够合理的。近年来，随着国家用电需求的增加，作为火力发电厂重要降温装置的冷却塔，其规模与体量也在不断加大，大部分是高度超过200m的超大型构筑物，底部直径可达到180m以上，建设地点多位于内陆地区的南北地震带上，地震危险性高，场地条件复杂，在这样的情况下，考虑土-结构相互作用以及多点激励输入方式就成为了不可回避的问题。 围绕这些问题，本文采用了有限元数值模拟分析方法，根据弹性波动理论，通过等效荷载法建立了输入地震动的粘弹性人工边界，对大型冷却塔结构行波效应、土-结相互作用等问题进行了研究，主要内容及成果有以下几个方面： 1)研究了地基的刚度变化对冷却塔结构动力特性的影响。以工程实例为背景建立了Ⅱ类场地条件下的刚性地基模型与土-结相互作用模型，分别取前500阶振型，观察其变化规律。结果表明，冷却塔结构自振频率分布十分密集，自振频率低，周期长，整体振型数量少且出现较晚，土-结相互作用模型与刚性地基模型规律基本一致，但自振频率更小，自振周期延长，整体振型的出现提前。 2)通过对比8度多遇罕遇地震下刚性地基模型与考虑行波效应模型的响应差异，发现两种工况下水平向的最大值都是在下支柱顶部出现，响应幅值在支柱上沿高度逐渐增大，塔筒上沿高度逐渐减小，一致激励下塔筒环向各点的幅值变化小，呈整体平动特点，与刚性模型相比，结构受到行波效应的影响后，水平地震作用随视波速的减小而减小，竖直地震作用随视波速的减小而增大，当视波速增大，地基达到一定刚度时，多点激励下的地震动输入与刚性一致激励的结果相差不大，此时可以不考虑行波效应对结构的影响。 3)对比分析了冷却塔结构在刚性地基、行波效应、综合考虑土结相互作用及行波效应三种工况下结构的地震动响应后发现，考虑土-结相互作用时，在塔筒部分的响应幅值会随高度上升先减小后增大，说明它对塔顶部位的地震作用有放大效果，所以在考虑土-结相互作用时，结构的薄弱部位位于塔顶。 4）相较于刚性一致激励模型环向幅值变化小的特点，考虑行波效应后，环向波动幅度更明显，考虑了土-结动力相互作用后，波动变平缓且整体动力响应大幅降低。考虑了土体的弹性作用后，结构响应远小于刚性模型，略小于只考虑行波效应的模型，说明地基土刚度越大，地震作用越大，相互作用模型下部弹性土体在结构底部起隔振作用，大大减弱了地震响应，由于刚性地基模型与考虑土-结相互作用的模型地震响应差异明显，冷却塔这样的大跨度结构，不应忽略土-结构动力相互作用。

目录

声明

1绪论

1.1研究背景及意义

1.2冷却塔结构分析研究现状

1.2.1国外研究现状

1.2.2国内研究现状

1.3考虑行波效应的地震响应分析研究现状

1.4研究中存在的问题

1.5本文的研究内容与技术路线

1.5.1研究内容

1.5.2技术路线

2理论基础与模型建立

2.1土-结动力相互作用理论

2.1.1理论简述

2.1.2分析方法

2.1.3子结构法

2.2工程实例概况

2.2.1工程概况

2.2.2设计参数

2.2.3结构自重

2.2.4地震作用

2.3材料本构与阻尼的选取

2.3.1混凝土非线性本构关系

2.3.2钢筋本构关系

2.3.3土体屈服准则

2.3.4阻尼

2.4时程分析法

2.5有限元模型的建立

2.5.1刚性地基模型

2.5.2土-结相互作用模型

2.6本章小结

3有限元模型模态分析

3.1模态分析概述

3.2刚性地基模型模态分析

3.3土-结相互作用模型模态分析

3.4结果对比

3.5本章小结

4冷却塔结构行波效应分析

4.1行波效应分析理论基础

4.2地震波的选取

4.3刚性地基模型与考虑行波效应模型的地震响应对比分析

4.3.1加速度响应

4.3.3下支柱环向响应及损伤

4.4本章小结

5土-结相互作用下的行波效应分析

5.1地应力平衡

5.2粘弹性人工边界的地震动输入方法

5.3土-结相互作用下的地震响应分析结果

5.3.1加速度响应

5.3.2位移响应

5.4本章小结

6总结与展望

6.1总结

6.2展望

致谢

参考文献