渡槽动力特性的有限元分析

渡槽是输送渠道水流跨越河渠、道路、山谷、谷口等的架空输水建筑物,在国内外发展历史悠久,是中国南水北调工程中的重要立体交叉工程。渡槽结构的动力特性分析是渡槽结构地震响应分析和抗震设计的基础。文章研究了矩形渡槽在无水情况下的自振频率、振型(干模态);在对干模态分析的基础上,考虑水体与结构的相互作用对渡槽动力特性的影响,采用附加质量原理来处理水体和渡槽槽壁的相互作用,建立水体-槽体的系统有限元模型,得出矩形渡槽在不同水深时的自振频率和主振型。结果表明:水体对渡槽的动力特性影响比较明显,自振频率随着水深的增大而减小,即质量越大,频率越低;水体对渡槽结构的主振型的形态没有影响,干、湿模态的振型相似。     

大型联体式矩形渡槽流固耦合动力特性分析

渡槽是南水北调工程中大量使用的输水建筑物,国内外的研究主要集中在结构选型、优化设计、结构抗震等方面.以Housner理论为基础,用空间实体有限元法建立了考虑流固耦合的大型渡槽动力分析模型,利用此模型编写程序,计算了南水北调洺河渡槽在多种工况下的自振频率和振型.结果表明,在对大型联体式矩形渡槽进行动力计算时,水体与结构的耦合动力作用不容忽略,其重点应加强结构横向及侧墙抗震.     

考虑流固耦合的大型渡槽动力特性计算

为计算大型渡槽考虑流固耦合的动力特性，以Housner理论为基础，建立了考虑流固耦合的大型渡槽薄壁梁段单元的动力分析模型，利用此模型编写计算机程序，计算了南水北调中线工程某大型渡槽结构在多种工况下的自振频率和振型，计算结果表明，渡槽槽内水体与槽身的动力耦合对渡槽结构的自振频率和振型影响显著，在对大型渡槽结构进行动力特性计算时，采用考虑相应水位的流固耦合模型比较符合渡槽结构的实际情况。     

U形渡槽结构静动力分析

总结了渡槽结构分析方面的新进展，认为全面评价渡槽结构的静、动力特性应综合考虑槽内水体与槽壁的动力相互作用，桩、土和桩与结构的动力相互作用问题。提出了合理确定地震动参数的途径。以南水北调中线穿黄U形渡槽为例，进行分析研究，得出了可供工程单位参考应用的有益结论：渡槽槽身的静动位移和应力均在允许范围内，渡槽地基系统的主要受力部位在桩顶部，桩顶部为控制断面，应合理配筋。     

涌潮荷载下桩式丁坝的动力响应

通过势流理论研究了简谐荷载作用下的无黏性流-圆桩-土体系统的动力响应。采用动力Winkler弹性地基梁模型模拟桩与土的相互作用，考虑无黏性流体和桩体的耦合作用，将圆桩散射的特征函数展开，由解析法给出了埋置在土中的圆桩在无黏性流体中的稳态动力响应。最后将实测的钱塘江涌潮冲击荷载用傅立叶变换展开成正余弦荷载。考虑由流体黏性引起的速度力和黏性阻尼的Morison公式的速度力分项，研究分析了涌潮作用下桩式丁坝的受力特性及桩身振动响应。计算结果表明：埋置桩的自振频率较高，而涌潮荷载中高频分量相对较小，所以涌潮下桩式     

南水北调双洎河渡槽结构动力特性分析

大型渡槽结构槽内水体质量较大,在地震作用下水体的晃动对渡槽结构的动力特性及地震反应有着明显的影响.使用大型有限元分析软件对双洎河渡槽进行了动力特性分析,考虑了两种连接支座和6种不同的水深.计算结果表明,支座直接影响渡槽结构的频率和振型,水体对渡槽的振动形态影响不大,水深只影响渡槽结构的频率:水深越大,渡槽的频率越低.所得结论可为渡槽结构的抗震设计提供依据.     

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。     

基于有限条法的流固耦合渡槽结构动力分析

采用附加质量法对考虑动水作用的渡槽动力特性进行了分析,通过算例表明,随着渡槽槽内水位的升高,渡槽结构整体质量增大,渡槽的横向、竖向、纵向各阶自振频率依次显著减小,同时可以看出槽内水位的变化对支架的自振频率影响很小.在渡槽结构的抗震理论计算与设计中,水体对渡槽结构的动水作用不可忽视.     

水体的晃动作用对渡槽自振频率的影响

渡槽作为一种输水建筑物,槽壳中的水体晃动作用会对渡槽的自振频率产生一定的影响,文章采用大型通用有限元软件ADINA对槽壳内无水、有1/2设计水深水的槽壳和有设计水深水的槽壳3种工况进行模态计算,并将3种工况下的频率进行对比分析,可以得出水体的晃动具有降低结构自振频率的特性。     

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.     

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。     

U形渡槽流固耦合动力作用研究

为了研究强震下渡槽的流固耦合动力作用,本文首先用VOF模型验证了渡槽内水体响应的非线性,然后通过位移有限元方法建立了U形渡槽流固耦合模型,并根据地震作用的特点构造了一组Ricker子波,分别计算了刚、柔性槽体模型的动力时程响应。计算结果表明,渡槽流固耦合动力作用的强度主要受流体晃动频率、槽体自振频率两个因素控制,当外界激励的频率接近这两个频率时,渡槽的流固耦合动力作用将变得十分显著;当激励频率达到水体晃动频率的2倍时,水体主要运动方式将由表面晃动转变为整体惯性运动;地震作用下水体动力响应的非线性可以忽略。这些现象在渡槽抗震设计中应当引起足够的关注。     

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。     

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.     

大型薄壁输水渡槽流固耦合振动台试验研究

地震高烈度区大型高架渡槽的抗震安全是我国西南地区长距离调水工程建设及运行过程中难以回避的重大挑战。渡槽结构与槽内水体动力相互作用是地震响应分析及安全评价的关键问题。目前使用较多的将水体以附加质量方式计入其对结构动力响应影响的方法是基于刚性壁与流体相互作用假定下推导建立的。大型渡槽多为薄壁结构,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。本研究采用几何比尺1/10的大型薄壁渡槽物理模型,通过振动台试验研究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和11组双方向地震波激励下渡槽结构的动态响应,确定大型薄壁渡槽中水体对结构自振频率及渡槽两端支座力产生的重要影响,并给出了试验对象渡槽结构槽内水体与渡槽动态相互作用的等价质量定量关系。为实际工程抗震设计准确分析评价渡槽抗震安全提供可靠依据。     

不同支座形式对渡槽结构地震响应的影响

针对大型渡槽结构动力响应问题,考虑槽内水体与槽壁的相互作用,采用三维有限元及时程分析技术,建立了大型渡槽结构动力响应分析的力学模型,对不同过水量下结构的动应力及动位移进行了计算分析,得出不同支座形式对槽体结构动应力及动位移的影响,为同类工程设计提供理论依据和指导.     

大型渡槽结构动力响应分析

现针对大型渡槽结构动力响应问题,考虑槽内水体与槽壁的相互作用,采用三维有限元及时程分析技术,建立了大型渡槽结构动力响应分析的力学模型,对不同过水量下结构的动应力及动位移进行了计算分析,得出不同过水量下槽体结构动应力及动位移的变化规律等结论,为同类工程设计提供理论依据和指导。     

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。     

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。