渡槽结构的横向减隔震混合控制装置

摘要

本发明涉及渡槽结构的横向减隔震混合控制装置，该装置主要由阻尼器（1）、弹簧（2）、格栅（4）和铅锌橡胶支座（6）组成，其中：阻尼器（1）和弹簧（2）设置多个，它们沿渡槽纵向于两侧渡槽壁（3）顶部之间设置；格栅（4）沿渡槽槽中纵向布置；铅锌橡胶支座（6）安装在槽墩的顶部；渡槽水体与渡槽槽体自身构成矩形TLD大水箱。本发明考虑槽体中大质量水体的TLD效应，利用水体的晃动来减小渡槽的地震响应，从而变水体的不利为有利，突破了传统大质量水体对渡槽结构抗震不利的研究方法；更重要的是阻尼器、弹簧、格栅和铅锌橡胶支座组成混合减震隔震装置，更大程度地减小渡槽的横向地震响应，并且安装简单、经济实用。

说明书

技术领域

本发明涉及土木工程、水利工程、机械工程领域，特别涉及一种用于渡槽结构的横向减隔震混合控制装置。

背景技术

建国60多年来，我国的水利建设虽然取得了显著成就，但面临的形式仍然相当严竣：一是水污染与水环境日趋恶化；二是水资源严重短缺；三是洪涝和干早灾害频繁。随着经济社会的全面发展，我国未来的水资源问题将显得更加复杂和严峻，在很多领域和许多地区，水问题已成了经济发展的首要制约因素。

渡槽是一种重要的水工建筑物，它的主要作用是输送渠道水流跨越河流、道路、山谷，在我国各地有着广泛的应用。我国以前的《水工建筑物抗震设计规范》编制说明中明确指出：“渡槽等水工建筑物，由于缺少动力特性资料及实际运用经验，还不能在本规范中概括，有待于进一步积累资料，于今后修订时逐步补充（参见文献：中华人民共和国水利部《水工建筑物抗震设计规范》(SDJ10-78)[S]，北京水利电力出版社，1978年）”。但新颁布的《水工建筑物抗震设计规范》中依旧没有提及渡槽这方面的内容（参见文献：中华人民共和国水利部.《水工建筑物抗震设计规范》(DL5073-2000)[S].北京水利电力出版社，2000年），能够查阅的相关文献也较少，从而使得目前我国渡槽抗震设计尚无规可循。从抗震角度看，渡槽与桥梁的主要差别是巨大水槽内水体形成的“头重脚轻”的结构形式，这种结构形式对抗震极其不利。我国是世界上地震灾害最为严重的国家之一，地震带分布广泛，建筑物的抗震十分重要。当渡槽通过地震区时，这些渡槽在地震作用下的安全问题是关系到国民生计的重大问题。由于该类结构的特殊性，无论是理论研究，还是设计经验都严重缺乏，其地震安全性问题一直是水工结构抗震领域关注的焦点，成为水工结构抗震领域亟待解决的重要课题。

1.渡槽结构的抗震研究现状：

国外近些年来修建的大型输水工程相对较少，对大型渡槽结构的研究文献不多，所能查到的相关研究文献有：Eugene L., Dennis P.E. Intergration of computer systems for Callfornia aqueduct power plant systems. IEEE Transactions on Energy Conversion,1993, 8(2):93-113；文献Shan J J. Construction of Gomti Aqueduct. Indian Consrete. Journal, June, 1986；文献Golani B D. ‘Rolling trusses’ as falsework for aqueduct and bridge. Indian Concrete Jouranl, January, 1978；文献Anon. Aqueduct Usel Prestressed Concrete Design. World Construction, June. 1984；文献Connelly.David L.,Perry.Roy J.First steps in aqueduct leak risk assessment. Proc 22 Annu Conf Integr Water Res Plan 21 Century,1995,641-644等。它们均集中在渡槽防渗修复、结构选型、模型试验和优化设计等方面。

而有关渡槽动力分析与抗震计算方面的文献报道也很少。就结构的抗震研究而言，国内因为实施像南水北调这样的大工程，使得在这一领域处于世界领先地位。国家对南水北调的战略性研究进行了几十年，实质性的具体研究也就是近些年的事情，国内许多高等院校、科研院所做了不少的工作，也有了一些成果。

李遇春等应用流体势流理论与结构的振动理论，对大型梁式渡槽的竖向地震作用进行了相关的研究，通过流-固耦合简化分析，得到了结构竖向地震响应的时程计算公式，求得了渡槽承重简支梁的湿振型估算公式及湿频率（参见文献：李遇春，楼梦麟，潘旦光，《大型梁式渡槽竖向地震作用估计》[J].土木工程学报，2003,36 (2):10-15）。

陈淮等针对大型渡槽槽身采用薄壁结构的特点，提出大型双槽截面渡槽横向地震响应分析模型，给出了该大型渡槽关键部位的地震响应最大值，所得结果可为该大型渡槽抗震设计提供参考（参见文献：陈淮，祁冰，杜晓伟，《大跨双槽渡槽横向地震响应分析》[J].地震工程与工程振动，2004,24(5):118-122）。

王博等采用能量原理给出了渡槽梁段单元的刚度矩阵、质量矩阵和阻尼矩阵的表达式。提出大型渡槽的动力分析模型，并具体计算了某大型渡槽的地震响应（参见文献：王博，李杰《大型渡槽结构地震响应分析》[J]土木工程学报.2001.34(3):29-34）。

彭宣茂等采用空间组合空间动力有限元直接滤频法和振型分解反应谱法对东深供水改造工程渡槽结构进行空间抗震分析。计算模型有效地考虑了上部结构的槽身、支架体系、槽墩、桩基与土的共同作用以及渡槽内水体与结构的动力藕合作用（参见文献：彭宣茂，刘宁《首届全国水工抗震学术会议论文集》[C]//《首届全国水工抗震防灾学术会议论文集》，南京:河海大学，2006:252-256）。

张林让等以南水北调工程穿黄箱形渡槽为研究对象，采用大比尺水弹性振动渡槽模型在水平振动台上进行试验，研究了地震作用下和谐激励下水体与槽体相互作用效应和机理，并将试验结果和Housner模型计算结果进行了对比分析（参见文献：张林让，吴杰芳，陈敏中等《大型渡槽流固动力耦合效应试验研究》[J].南水北调与水利科技.2008，6(1):6-10）。

李敏霞在理论分析的基础上，对设计中的南水北调中线工程北京段南泉河水大型渡槽工程结构，按几何相似比1:10研制了结构模型及多组隔震耗能混合减振支座，在振动台上成功地进行了多工况的地震模拟试验（参见文献：李敏霞，陈厚群，王济等《渡槽结构隔震耗能减振控制的试验研究》[J].地震工程与工程振动，2002,22(4):139-143）。

季日臣等建立考虑渡槽槽身与槽内水体流固耦合的二维横向地震响应计算模型，对某大型渡槽进行多工况地震时程响应计算，分析了槽内水体晃荡对渡槽结构横向抗震的影响。季日臣等建立考虑渡槽槽身与槽内水体流固耦合的二维横向地震响应计算模型，对某大型渡槽进行多工况地震时程响应计算，分析了槽内水体晃荡对渡槽结构横向抗震的影响（参见文献：季日臣，夏修身，陈尧隆《水体晃荡作用对渡槽横向抗震影响的研究》[J].水利水电学报，2007,26(6:30-34）。

2.TLD控制理论研究现状

1972年，姚浩平（J.T.P.Yao）教授首次提出“结构控制”理论，从而开创了结构控制研究的新时期。其中，TLD（Tuned  Liqui  Damper,简称TLD，调频液体阻尼器）由于简单易行、经济及多用途等诸多优点而得到广泛的研究与应用。

Housner是较早研究水箱内液体晃动特性的学者之一，他将液体晃动对箱壁产生的动液压力分为脉冲压力和振荡压力两部分，并分别用两个与箱体连结形式不同的等效质量的振动效应来模拟这两种动液压力（参见文献：Housner G W. Dynamic pressure on accelerated fluid container. Bull Seism. Soc. Am. 1957,47(1):15-35）。

Kareem等基于Housner的计算模型，研究了在随机荷载作用下矩形深水水箱与多自由度结构体系的动力响应。通过算例分析表明，当结构体系的基本振动模态与液体的某一阶晃动模态一致时，结构的振动响应会受到抑制（参见文献：Kareem A, Sun W J. Stochastic response of structures with fluid-containing appendages. J. of Sound and Vibration, 1987, 119(3):389-408）。

Fujino等对浅型圆柱水箱—单自由度结构体系进行了试验研究，研究了诸多因素如： 激励振幅、频率调谐系数、液体粘性、液体波浪破碎、水箱大小、水箱顶板高度、水箱底部粗糙度以及TLD与结构的质量比等对结构阻尼的影响（参见文献：Fujino Y, Pacheco B M, Chaiseri P. etal. Parametric studies on tuned liquid damper(TLD) using circular containers by free oscillation experiments. Struct. Engrg. and Earthquake Engrg. JSCE, 1988,5(2):381-391）。

基于浅水波理论，Sun和Fujino等建立了矩形水箱中液体运动的非线性模型（参见文献：Fujino Y, Sun L M, Pacheco B M. etal. Tuned liquid damper(TLD) for suppressing horizontal motion of structurs. J. of Engrg. Mech, ASCE, 1992,118(10):2017-1030）。

后来，Fujino和Sun等对矩形浅水水箱进行试验研究，研究表明TLD在液体波浪未发生破碎的情况下，试验结果与非线性模型理论分析结果相吻合，从而证实了非线性模型的有效性（参见文献：Sun L M, Fujion Y, Pacheco B M. etal. Nolinear waves and dynamic pressures in rectangular containers by free oscillation experiments. Struct. Engrg. and Earthquake Engrg. JSCE, 1999,6(2):251-262）。

张敏政等通过深水矩形水箱模型的正弦波激振实验，验证了计算振荡水频率的理论公式，给出了估算振荡水阻尼的经验公式（参见文献：张敏政，丁世文，郭迅《利用水箱减振的结构控制研究》[J].地震工程与工程振动,1993,13(1):47-52）。

瞿伟廉等建议设置漂浮物增加液体晃荡阻尼（参见文献：瞿伟廉,李秋胜,宋波等《圆环形深水TLD对电视塔风振反应控制的试验与研究》[J].特种结构，1995,12 (3):47-51）。

Noji等通过对深水矩形水箱模型试验，研究发现水箱内附加滤网后使得液体的晃荡阻尼明显提高（参见文献：Noji T, Yoshida H, Tataumi E. etal. Study of water-sloshing vibration control damper:(Part I) hydrodynamic force characteristics of the device and damping effect of the system. J. of Struct. Constr. Engrg. AIJ, 1990, 411:97-105）。

梁波等提出为提高液体晃动阻尼而在圆柱形深水水箱内附加环形防晃板的方案，分析了防晃板参数对减振效果的影响（参见文献：梁波，唐家祥《防晃水箱控制高层建筑地震反应的理论研究》[J].振动工程学报,1994,7(4):336-340）。

以上文献充分说明，渡槽的抗震研究仍处于初步阶段，TLD被动控制理论已得到迅速的发展与应用。为此，我们提出基于被动控制理论的渡槽结构的横向减隔震混合控制装置。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：为解决现有技术的不足，提供一种渡槽结构的横向减隔震混合控制装置，以便用于大型渡槽结构的结构设计及已建渡槽结构的加固与修复。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：主要由阻尼器、弹簧、格栅和铅锌橡胶支座组成，其中，阻尼器和弹簧设置多个，它们沿渡槽纵向于两侧渡槽壁顶部之间设置；格栅沿渡槽槽中纵向布置；铅锌橡胶支座安装在槽墩的顶部；渡槽水体与渡槽槽体自身构成矩形TLD大水箱。

在渡槽壁的顶部与阻尼器、弹簧的连接部位均可以设置加劲肋。

在渡槽中设置格栅部位设立竖向混凝土的柱子，该柱子位于槽体横断面的正中间。

所述柱子与渡槽槽体现浇为整体。

本发明将格栅沿渡槽槽中纵向布置时，对其布置方式进行优化设计，其方法是：将渡槽中水体的振荡周期与渡槽结构的自振周期调到尽量一致。

所述格栅可以采用钢筋混凝土或复合材料制作成预制构件，在渡槽槽体中按设计预留预埋件，待槽体施工完后将格栅安装到位。所述复合材料可以采用碳纤维复合材料棒材混凝土或纤维增强聚合物（FRP）。

所述格栅布置于渡槽横断面中间，与渡槽跨度一样长。

本发明突破了现有渡槽结构横向减隔震方面的瓶颈且弥补了渡槽横向减隔震研究设计的不足，与现有技术相比具有以下的主要优点：

（1）充分发挥槽体中大质量水体的作用，考虑水体的TLD效应，利用水体的晃动来减小渡槽的地震响应，从而变水体的不利为有利，突破传统大质量水体对渡槽结构抗震不利的研究方法。

（2）安装简单，经济实用。格栅、阻尼器、弹簧及铅锌橡胶支座的安装均只需在渡槽结构上进行，其安装简单易行，额外费用相对较少。

（3）减隔震效果良好。现有的渡槽减隔震研究主要集中在水体的分析处理及支座的安装上，方法单一，效果不明显。本装置立足现有成熟的结构被动控制理论，通过附加格栅、铅锌橡胶支座、阻尼器和弹簧的措施，达到显著减小渡槽结构横向地震响应的目的。

为支持上述优点，特提供已做相关研究的数据及分析结果。

某大型渡槽的渡槽全长445m，槽身段280米，为简支结构，单跨长40m，槽体总宽度12m。工程所在的场地类别为Ⅱ类，设防烈度为7度。槽墩采用实心墩体，槽墩高度15m，槽墩上部宽为13.2m，槽墩底部宽为19m，基础高程为60.25m，渡槽槽身两端部各用2个盆式铅芯橡胶支座支撑在槽墩上。对于本项目需要重点研究的是在中间沿渡槽纵向通长加格栅的渡槽类型，为保证格栅的整体稳定，采用相关渡槽设计上的经验做法，沿纵向每隔4m设一拉杆弹簧与两侧槽壁拉接。本项目利用Ansys有限元分析软件对其中一跨来对其进行研究。本项目根据工程所在的场地条件等相关因素的影响，选取常用的真实强震纪录EI-Centro（N-S）波对渡槽结构进行时程分析。幅值调整为8度罕遇地震（400gal）的幅值，时间步距取为0.02s，持续时间为15s。在保证过水量相等（横断面面积恒定为72m²）的前提下，取渡槽高宽比H/B分别为1/3、1/2及2/3三种工况进行计算，并重点对跨中槽壁顶部控制点的横向位移及跨中槽壁根部控制点的弯矩进行对比分析，图1、2为渡槽结构的地震响应对比结果。

通过分析可知：

（1）附加质量模型将水视为刚体，质量全部附加到槽体上，严重夸大水体的地震惯性力作用；附加质量模型相对空槽，位移最大增幅达到188.03%，横向弯矩最大增幅达到160.50%；这说明：渡槽水视为刚体是不对的！

（2）在地震作用下，渡槽水体有着明显的TLD效应，相比附加质量模型，水体的晃动作用可以明显减小渡槽的地震反应。单槽TLD模型相比附加质量模型，位移最大降幅可达到44.99%，弯矩最大降幅也可达38.55%。加格栅和弹簧后，水体的TLD控制力相比附加质量模型进一步增大，位移最大降幅达55.74%，弯矩最大降幅为47.50% 。

（3）参见图1和图2，通过各工况的对比分析，随着渡槽高宽比H/B的增大，各计算模型的相关参数几乎均随之增大，即相应工况各渡槽计算模型的地震响应随之放大。由此可以得出，在同样过水量的前提下，渡槽槽身H/B越小，地震响应相应减小，但在H/B=1/2时水体的减震效果最好。图1和图2中的符号分别为：A.空渡槽模型；B.附加质量模型；C.单槽TLD模型；D.隔板TLD模型；S.位移；M.弯矩。

（4）比较空槽模型和格栅、弹簧、TLD模型相同工况的横向地震响应，前者的各项动力响应指标几乎都小于后者，这跟结构TLD被动控制效果有差异，说明大质量的水体对渡槽地震响应有一定的影响，因此进行渡槽抗震设计时应考虑水体的作用。

附图说明

图1是各工况位移最大值对比图。

图2是各工况弯矩最大值对比图。

图3是渡槽横断面示意图。

图4是图3的俯视图。

图中： 1.阻尼器；2.弹簧；3.渡槽壁；4.格栅；5.渡槽底；6.铅锌橡胶支座；7.柱子。

具体实施方式

本发明基于渡槽水体TLD效应的渡槽横向抗震研究后，提供渡槽结构的横向减隔震混合控制装置，该装置用于大型渡槽结构的结构设计及已建渡槽结构的加固与修复，其结构如图3和图4所示，主要由阻尼器1、弹簧2、格栅4和铅锌橡胶支座6组成，其中：阻尼器1和弹簧2设置多个，它们沿渡槽纵向于两侧渡槽壁3顶部之间设置。格栅4沿渡槽槽中纵向布置。铅锌橡胶支座6安装在槽墩的顶部。渡槽水体与槽体自身构成矩形TLD大水箱。

所述阻尼器1和弹簧2的作用主要是减小渡槽壁顶部的地震响应，因为槽壁顶部的地震响应相对最大，所以设置阻尼器和弹簧可以很好解决这个问题。

在渡槽壁3的顶部与阻尼器1、弹簧2的连接部位设置加劲肋，以增强与渡槽壁的连接。在渡槽中设置格栅4部位设立竖向混凝土的柱子7，使阻尼器1、弹簧2一端与柱子相连，另一端与渡槽壁3相连；柱子与槽体现浇为整体，以增强其整体刚度。

所述格栅4，基于结构被动控制的理论，利用槽中大质量水体，进一步发挥TLD效应；由于TLD的减振作用与粘滞性、频率及尺寸等多种因素有关，因此为增大水体的横向减震效果而沿渡槽槽中纵向布置格栅，以增大水体的横向阻尼，从而增大水体的晃动力，使得槽身的横向地震响应得到减小。将格栅4沿渡槽槽中纵向布置时，可以对其布置方式进行优化设计，将渡槽中水体的振荡周期调到渡槽结构的自振周期附近，可以使渡槽中的水激荡起来以至于产生破碎波，得到最大的动水压力，从而达到最优的减振效果。

所述铅锌橡胶支座6可由铅锌橡胶制成，起隔震作用。由于地震作用主要是从渡槽墩往上传至槽体，因此在渡槽墩顶部设置所述铅锌橡胶支座6，可以进一步减小地震对上部槽体的地震作用，从而大大减小整个槽体的地震作用。

所述TLD，即渡槽与水体形成调频液体阻尼器，其本身就能起到减震作用；但将水体视为刚体作为附加质量作用在渡槽上，这就片面地夸大了渡槽的地震响应，不符合渡槽结构的实际情况。

从上可以看出，本装置为渡槽结构的减隔震研究开辟了新的思路，并可以很好解决地震中渡槽结构的安全性问题。

本发明经过上述措施后，使得格栅4与阻尼器1、弹簧2和铅锌橡胶支座6达到四者的优化组合，最终形成渡槽TLD、格栅4、阻尼器1、弹簧2与铅锌橡胶支座6的混合震动控制，从而充分减小渡槽上部结构的地震响应，即达到混合控制效果。

本发明提供的渡槽结构的横向减隔震混合控制装置，其工作过程是：当地震来临时，地震产生的惯性力（即地震作用）经过渡槽墩顶的铅锌橡胶支座6，被其消耗掉部分能量，即使得传到渡槽上部结构的惯性力减小；此惯性力使渡槽水体晃动，水体产生TLD的减震作用，同时格栅4增大TLD的阻尼，从而进一步减小渡槽震动；由于渡槽和水体的震动，槽身和槽顶带动阻尼器1和弹簧2，使阻尼器1和弹簧2产生相对渡槽的相对运动，这种相对运动所产生控制力可更进一步地减小渡槽的地震响应。总之，渡槽TLD、格栅4、阻尼器1、弹簧2与铅锌橡胶支座6对渡槽起到良好的混合震动控制作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，凡依本发明权利要求范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明权利要求的涵盖范围。