基于ALE和附加质量理论的U形渡槽结构抗震分析

摘要

为了改变我国水资源分配不均的现状，渡槽作为一种独特的运输水体的建筑物，由于其类似桥的结构可以跨越山谷、河流，所以在输水这项工程中发挥着其独有的能力。由于渡槽的破坏将可能危及整个供水线的破坏，所以其安全性需要得到重视，因此，对渡槽进行结构响应分析十分重要。渡槽结构由于其特殊性，在受到地震作用时的地震响应分析属于流固耦合问题，而固体和液体两相介质的相互作用是流固耦合力学的重要特点，即固体和流体在地震作用下会相互影响其受力状态，进而改变其各自的受力大小和分布。　　本文针对渡槽抗震分析开展的主要研究工作有：　　(1)通过大量阅读文献，综述了不同流固耦合理论分析时的原理，分析了5种模拟模型的优点和不足及其适用性，叙述了国内外关于大型渡槽的抗震分析研究历程，并针对目前国内外学者所研究内容及分析结果进行了一个综述；其次分析研究了基于无旋、小扰动流体的不同流固耦合理论控制方程及其动力求解算法。　　(2)在动力分析的研究中，首先对渡槽中流固耦合作用采用Westergaard附加质量法进行简化，利用软件ADINA建立了渡槽附加质量有限元模型，其次采用基于ALE流固耦合模型，考虑耦合边界，建立了水体和结构的耦合模型，通过模态分析提取了渡槽的前九阶自振频率和振型，发现渡槽前两阶振型为平动形态居多，且自振频率小于同等跨度的公路桥梁；对渡槽进行静力分析，在静力作用下，设计水深下的竖向位移相比空槽下的位移大于幅度在75%左右，而且对于渡槽而言最大竖向位移在渡槽跨中截面处取得。　　(3)基于附加质量法和ALE流固耦合法的两种理论模型，研究了地震波引起的结构动力响应，并分别在两种不同模型中从水位高度、支座变化与水流流速及流体晃动波高等多个方面展开讨论，分析了每种影响因素给渡槽结构响应带来的变化规律，其结果表明：渡槽结构的水平横向位移随着渡槽内水体水深的增加而普遍增加；在为渡槽结构设置隔震支座后，渡槽的位移和应力状况得到了很好的改善，结构系统的抗震性能得到明显的提升，地震作用时的动力响应明显下降；水体水流速度的大小对于渡槽结构的影响很小，水体自由液面上的晃动幅值随着水深的增加而增加。　　(4)相较于附加质量理论和ALE流固耦合理论，在附加质量法中其自振频率小于ALE流固耦合法，两种的相差在5%左右；当处于同一工况下，附加质量法下的渡槽动力响应比通过ALE理论计算的稍大，幅度在5%~10%之间。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 流固耦合理论研究现状

1.2.2 渡槽抗震研究现状

1.3.1 研究目的

1.3.2 研究方法

1.3.3 研究内容

第2章 大型渡槽动力分析相关理论

2.1 动力学相关理论

2.1.1 控制方程及有限元列式

2.1.2 固有频率和振型的计算

2.1.3 动力响应计算分析

2.2 流固耦合理论

2.2.1 无黏性小扰动流体的基本方程

2.2.2 附加质量流固耦合法

2.2.3 位移压力流固耦合法

2.2.4 ALE流固耦合法

2.3 流固耦合系统的动力特性分析

2.4 流固耦合系统的动力响应分析

2.5 ADINA软件及单元介绍

2.6 小结

第3章 流固耦合有限元模型的建立

3.1 工程概况

3.2 模拟单元及模型的建立

3.3 渡槽荷载分析及参数选择

3.4 地震波的选取

3.5 动力特性分析

3.6 渡槽结构静力分析

3.7 小结

第4章 渡槽结构动力响应分析

4.1 附加质量法模拟下渡槽结构的动力响应

4.1.1 水深的影响

4.1.2 支座的影响

4.1.3 附加质量模型小结

4.2 ALE流固耦合法模拟下渡槽结构的动力响应

4.2.1 水深的影响

4.2.2 支座的影响

4.2.3 水流速度的影响

4.2.4 自由液面晃动波高受水深的影响

4.2.5 两种流固耦合理论在渡槽研究分析中的比对

4.3 小结

结论与展望

结论

展望

致谢

参考文献