大型矩型水工渡槽三维流固耦合动力分析

建立了流固耦合(FSI)系统的位移一压力(ui,p)有限元格式,给出流固耦合系统的动力特性方程;并基于FSI系统的(ui,P)格式建立槽体-水体-槽墩-基础-地基系统的力学模型,采用非对称模态提取法求解了4种水深下渡槽的动力特性,计算了4种水深、2种强震作用下大型渡槽的动力响应,得到了不同水深、不同激励下渡槽结构动力特性和动力响应的变化规律.计算结果表明,基于FSI的(ui,p)格式,考虑了槽体与水体的相互作用,简化了计算模型,提高了计算精度.     

基于FSI系统的(ui,p)格式大型渡槽动力分析

 槽体固体以位移为基本未知量,槽内水体以流场压力p为基本未知量,用能量变分原理推导了流固耦合(FSI)系流有限元分析的(ui,p)格式,给出流固耦合系统的动力特性方程,并基于FSI系统的(ui,p)格式建立渡槽槽体-水体-槽墩-基础-地基系统的力学模型,采用非对称模态提取法求解了渡槽的动力特性,并用隐式-显式积分算法计算了强震作用下大型渡槽的动力响应。计算结果表明,基于(ui,p)格式的流固耦合系统有限元分析的格式,考虑到槽体与水体的相互作用,简化了计算模型,提高了计算精度,同时也得出不同过水量下槽体结构动力特性和动力响应的变化规律等结论。     

大型渡槽流固动力耦合效应试验研究

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.结果表明流固耦合作用对渡槽结构的动力特性、振动位移和动应力响应以及槽内水体的动水压力特性有很大影响,弹性槽壁上的动水压力远大于刚性槽壁上的动水压力.试验条件下,由槽内水体晃动产生的动水压力很小.基于研究结果最后对Housner模型在抗震分析中的应用提出了修正建议.     

大型U形薄壳渡槽动力分析

针对大型U形渡槽的动力特性和动力响应问题,建立了适于U形渡槽流固耦合(FSI)系统的位移压力(μi,p)有限元格式,给出流固耦合系统的动力特性方程,并基于FSI系统的(μi,p)格式建立渡槽槽体--水体--槽墩--基础--地基系统的力学模型,采用非对称模态提取法求解了4种水深下渡槽的动力特性,并用隐式--显式积分算法计算了4种水深、2种强震作用下大型渡槽的动力响应.计算结果表明,基于FSI的(μi,p)格式,考虑到槽体与水体的相互作用,简化了计算模型,提高了计算精度,同时也得出不同水深、不同激励下渡槽结构动力特性和动力响应的变化规律等结论,可为大型渡槽及同类工程动力设计提供参考.     

考虑槽身与槽内水体流固耦合的渡槽地震反应计算

基于考虑槽身与槽内水体流固耦合的渡槽薄壁梁段单元的动力分析模型,计算了南水北调中线工程某渡槽结构的地震反应.计算结果表明,随着水位的上升,渡槽结构地震反应增大;考虑槽身与槽内水体流固耦合时,渡槽结构的横向地震反应、伸缩缝相对折角小于不考虑流固耦合的情况,而槽身横截面绕轴线转角却大于不考虑流固耦合的情况,说明槽身与水体的相互耦合对渡槽结构地震反应影响显著.因此,在对渡槽结构进行地震反应计算时,应采用能考虑相应水位的渡槽流固耦合动力分析模型,并计算渡槽在不同地震波激振下的地震反应才能综合反映渡槽结构在地震作用下的实际情况.     

渡槽结构考虑流固耦合地震响应及求解敛散性

基于所建立的考虑流固耦合渡槽梁段单元动力分析模型,对渡槽结构在多务地震波下的地震响应进行计算分析.该模型综合考虑了渡槽横向、竖向、纵向、自由扭转和约束扭转变形,以及槽内水体与渡槽槽身的流固动力相互作用的影响.结合工程算例探讨了大型渡槽结构考虑流固耦合地震时程响应解答的敛散性,结果表明:计算是收敛的、可靠的.说明该模型是考虑渡槽内水体流固耦合作用实用的地震响应模型,计算结果可为大型渡槽抗震设计提供参考.     

基于ALE方法的渡槽流固耦合数值模拟

地震作用下渡槽动力响应研究是渡槽抗震设计的关键环节。基于ALE理论,选用显式动力分析软件LS-DYNA,研究了地震作用下水体晃动产生的动水压力对渡槽槽身位移和应力的影响。结果表明:槽体结构的横向位移及应力随渡槽槽内水深的增加而增大;在横向地震波的激励下,槽身上部横向位移大于下部;在水体的晃动效应下,槽身底部应力较大。     

梁式渡槽“改进拟三维”流固耦合模型研究

基于结构动力分析理论和流固耦合分析理论,在已有的“拟三维”梁式渡槽建模方法的基础上,提出了“改进拟三维”梁式渡槽流固耦合建模方法。模型不仅能实现渡槽与大晃动水体的双向同步耦合,而且大大提高了计算效率,可用于多跨渡槽联合的流固耦合计算分析。除此之外,模型还可以用于计算带有加劲结构型式的渡槽。以东深供水渡槽的某段为例 , 采用提出的“改进拟三维”模型进行地震时程分析 , 计算结果与三维模型计算结果吻合良好,计算效率高。因此,提出的模型可以作为梁式渡槽分析计算的实用静、动力分析方法。     

长岗坡渡槽流固耦合特性分析

以广东长岗坡渡槽为研究对象,考虑运行期水体与槽体间的耦合作用,运用ANSYS有限元软件建立渡槽流固耦合模型,采用Unsymmetric法提取有水和无水两种工况的模态结果,获得前5阶频率和主振型。结果表明:渡槽结构的基频为1.034 Hz;渡槽结构的主振型以横向振型和整体振型为主;运行水位工况的各阶频率均小于无水工况,水体的存在削减了结构自振,因此在结构抗震设计和安全评价时应考虑流固耦合作用。     

渡槽结构横向动力响应分析

结合某渡槽安全鉴定工作,建立单跨渡槽结构在设计水位和无水两种工况下的ANSYS三维有限元模型。选用Housner流-固耦合模型模拟了槽内水体与槽体侧壁之间的相互作用,并设定槽墩高度为8.3,10.3,12.3和14.3 m,分别进行模态分析和动力响应分析,以观察在不同槽墩高度下渡槽结构的动力响应(应力、位移和速度)变化。分析结果表明:渡槽结构在设计水位工况下的自振频率小于结构在无水工况下的自振频率;随着槽墩高度的增加,结构在设计水位工况和无水工况下的自振频率均呈减小的趋势,而槽墩顶部、槽体跨中及槽体顶部关键点处的动力响应值有总体增大的趋势;但渡槽结构不同位置的响应值不同,在地震作用下,高墩渡槽的动力响应值总体大于矮墩渡槽的动力响应值。     

排架-渡槽-水三维耦合体系地震响应分析

本文应用任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法，针对不同的水位、不同支撑高度，研究渡槽结构在EL CennD地震波激励下的振动反应。研究表明，矩形渡槽中水体的晃动幅度十分显著，水体晃动呈多波振荡；排架高度越大，水体的晃动幅度越大，水体晃动反应越滞后于地震输入，个激励引起的动水压力对渡槽槽身应力的影响不可忽视；三维排架-渡槽-水耦合体的自振特性、排架高度、外激励等是影响渡槽中水体振荡反应和耦合体动力性能的重要参数，二维渡槽模型刚化了渡槽结构，不能真实反映三维耦合体的动力性能。     

考虑流固耦合作用的双槽渡槽地震响应分析

为研究考虑流固耦合的大型双槽渡槽结构动力响应特性,采用空间8节点非协调元,基于流固耦合动力相互作用理论及弹性理论推导计算公式,编制了有限元计算程序。对南水北调中线双洎河渡槽的典型三跨进行了模态分析和地震时程响应计算,结果表明:槽内有水将大大增加渡槽结构质量矩阵中的数值,使结构自振频率明显降低,考虑流固耦合动力作用工况较空槽工况对应的地震响应值(包括位移、速度、加速度等)大,对结构整体抗震不利。     

高阻尼橡胶隔震渡槽的设计和动力性能研究

以南水北调工程为背景,运用高阻尼橡胶隔震技术,并借鉴建筑与桥梁相关规范及设计经验对某渡槽进行隔震设计.采用Housner模型建立渡槽流固耦合有限元动力模型,分析隔震渡槽的的动力特性和地震响应.结果表明:隔震后结构前三阶振型均为隔震振型;采用高阻尼橡胶支座隔震和铅芯橡胶支座隔震渡槽的结构振型一致,自振频率基本相同;地震动特性对地震响应结果影响很大,当地震波特征频率与结构基频越相近时,槽身和支座响应越大,采用隔震支座效果越明显;三向地震动输入下,隔震渡槽各部位响应峰值可供设计时参考.     

不同地震波作用方向的大型渡槽动力响应分析

以南水北调中线工程中某大型渡槽结构为研究对象,采用ADINA软件中的势流体单元研究考虑流固耦合作用下渡槽结构的动力响应规律。本文对渡槽结构在顺槽向、双向和三向地震波作用下的动力响应分别进行了仿真研究。并分析了附加质量法和ADINA完全流固耦合法在计算流固耦合问题上的异同,及多维地震波对结构动力响应的影响。结果表明:水深及地震作用方向对渡槽结构的动力响应影响较大,且应在双向地震波作用下来研究结构的动力响应问题。     

槽内水深对渡槽-水体耦合结构抗震性能的影响

采用有限元数值计算方法,研究槽内水深的变化对渡槽-水体耦合结构抗震性能的影响。数值结果表明,水体的存在使得渡槽结构的振动频率降低,在地震作用下,U形渡槽中水体的晃动幅度十分显著,从而改变了槽身地震反应性态。槽内水体对渡槽结构的影响程度与输入地震波的谱特性有很大关系,当输入地震波的主频范围覆盖渡槽结构基频,且槽内水体的振动频率与渡槽结构基频相近时,槽内水体对渡槽结构可以起到类似调谐液体阻压器(TLD)的减震效应,并对槽内水体减震效应的条件进行了判别。     

渡槽结构非线性隔震研究

采用流固耦合渡槽薄壁结构梁段单元有限元模型,分别利用双线性模型和Wen模型来模拟铅芯橡胶支座的非线性滞回恢复力特性,对某大型渡槽结构进行了空间隔震响应研究。计算结果表明,无论是渡槽设计水位还是渡槽空槽情况,采用铅芯橡胶非线性隔震支座对渡槽输水建筑物均起到较好的减、隔震效果。建议在大型渡槽抗震设计时,可采用铅芯橡胶支座取代普通橡胶支座,以提高渡槽的整体抗震性能。     

梁式多侧墙渡槽结构地震位移响应分析

以开口型渡槽为研究对象,应用housner理论,建立流固耦合力学模型,选择中周期地震波,施加于渡槽结构的X、Y、Z方向,运用ANSYS分析软件及结构动力分析的时程分析法,对渡槽结构进行地震响应分析,计算4种工况(空槽、中槽过水、两边槽过水、全部过水)下,渡槽结构各部件(槽身、槽墩、侧墙、底板)的位移响应。结果可知,槽身侧墙的横向抗震能力相对较低,是各种工况下的安全控制因素;流固耦合作用下,渡槽的不同结构部位,其最不利的工作状况不同;水平向地震影响(无论是横槽向还是顺槽向)下,工况4最为不利;槽身横槽向地震位移远大于顺槽方向;水平向地震激励引起的渡槽地震响应,大于竖向激励引起的地震响应。     

大型渡槽结构随机地震反应与抗震可靠度分析

应用概率密度演化理论,分别研究了大型渡槽结构槽内水位变化以及水体与渡槽相互作用情况下的随机地震反应与抗震可靠度问题。分析结果表明,渡槽结构随机地震反应的概率分布呈现非规则分布,大型渡槽结构的随机地震反应与失效概率随着槽体内水位上升而显著增大。当槽体内水位一定时,考虑水体晃动对渡槽结构的影响,其地震反应却明显偏小,且抗震可靠度大幅提高。     

U形渡槽内水体液面晃动对流作用试验研究

大型U形渡槽多为薄壁结构,柔性结构与水体间的动力相互作用与刚性壁假定存在明显的不同,渡槽类结构刚度对两类等效质量的影响尚需深入研究。本研究采用几何比尺1/10的大型薄壁U形渡槽物理模型,通过振动台试验研究U形渡槽与水体的动力相互作用。通过深入分析稳态白噪声激励下渡槽结构的动态响应及槽内水体液面自由晃动结构响应,确定U形渡槽中水体液面晃动的自振频率及阻尼比,并通过深入分析试验记录的液面晃动波高幅值与渡槽支座力、弯矩幅值,定量给出了试验对象U形渡槽结构槽内水体对流作用的等效质量及作用位置。可为实际U形渡槽工程抗震设计准确分析及安全性评价提供可靠依据。