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。     

渡槽结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应

针对渡槽结构在爆炸冲击荷载作用下的动力响应问题,以南水北调中线某渡槽为例,采用M法模拟桩周土体对桩的作用,采用基于Housner理论的弹簧质量模型模拟槽身与水体的相互作用,并利用三维有限元建立了渡槽结构在爆炸冲击荷载下的分析模型。利用时程分析法分别计算了渡槽结构在空槽、半槽水深、设计水深3种工况下,遭受爆炸冲击荷载时所产生的位移和应力。结果表明：槽身的最大位移响应和最大应力响应均大于槽墩的,槽身中部的最大拉应力响应大于槽身两端的,侧墙顶端和底板中部拉应力响应相对较大,而槽墩上部的最大位移响应和最大应力响应又大于槽墩下部的;在空槽时,槽身内最大拉应力和最大位移响应最大,此时对结构最为不利。     

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.     

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。     

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.     

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。     

特大型梁式渡槽支座动力计算及结构特性分析

由于地震是危害特大型梁式渡槽结构安全的原因之一,渡槽支座是槽身的主要承力部位,因此需要计算分析支座的结构动力特性。笔者采用地震动力计算分析理论,结合实际工程建立三维有限元模型,基于三维有限元软件计算分析支座的动力响应特性及其关键节点位移和应力的时程变化规律。工程实例计算分析结果表明：渡槽支座的最大位移为顺槽向位移,出现在边墩上部的支座上;最大压应力与最大拉应力均为整个渡槽结构的应力最大值,其最大拉应力超过了支座混凝土的抗拉强度,会出现拉裂破坏。该文为同类渡槽的支座动力特性研究提供了计算案例。     

大型渡槽的动力响应分析

针对大型渡槽的动力响应问题,以南水北调工程沙河渡槽为例,应用有限元软件建立三维计算模型,采用附加质量法考虑动水压力,用Newmark方法对结构进行了全时域下的横向应力和纵向应力计算,并对其在横向激励(地震)下的动力响应进行了分析。结果表明:渡槽结构的动应力均随槽内水深的增加而增大;在横向地震激励作用下,槽底纵横梁对横向应力影响较大,容易在纵横梁交界处引起应力集中;在横向激励下,渡槽结构横向位移的响应规律是跨中大、两端小。     

某高墩渡槽静动力响应及支座型式分析研究

通过采用有限元法对某输水工程的预应力高墩渡槽进行结构应力和变形分析,获得了槽身、槽墩在施工期以及运行期不同荷载工况下工作性态,并重点分析了槽身与槽墩支座采用刚性连接的利弊。计算表明,各工况下渡槽变形和强度满足规范要求,设计总体上是合理的,但在设计预应力作用下,槽身呈两端上翘的反拱状态,使得槽身底面局部处于受拉状态,因此从改善应力状态的角度,可考虑适当减少预应力钢绞线的数量。在风荷载下,渡槽横向位移较大,支座固定连接可降低风荷载引起的槽身横向位移,但对改善重力荷载和温度荷载下的槽身应力没有明显效果,而且在地震工况下会显著增加槽墩底部以及墩槽结合部位的拉应力,因此采用固定连接与盆式支座相比没有优势。     

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。     

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。     

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。     

地震作用下渡槽槽架结构位移控制的可靠度研究

 以渡槽槽架结构的层间位移和顶点位移作为控制标准,提出了渡槽槽架结构在小震作用下位移控制的可靠度分析模型;基于现行相关规范,提出了渡槽槽架结构的层间位移和顶点位移控制限值;根据各随机变量的统计特征,采用Monte-Carlo模拟与有限元相结合的方法对渡槽槽架结构体系位移控制的可靠度进行了研究,为渡槽结构在地震作用下的可靠度分析和设计提供了一种新方法。     

考虑地震行波效应的渡槽动力响应分析

以南水北调中线漕河渡槽为研究对象,考虑在地震行波效应问题中,采用支座大质量法实现多点地震输入,并与一致输入的结果进行对比。结果表明:地震波多点输入考虑行波效应时,渡槽结构纵向位移峰值可增大数倍;地震效应对横向位移值的影响最为显著,对竖向位移值和应力分量的影响不大;在行波效应影响下,纵向位移和横向位移有增大趋势,竖向位移、第一主应力和第三主应力呈减小趋势。     

预应力U型薄壳渡槽结构静动力分析

采用壳体单元和三维等参单元，对大型预应力U型薄壳渡槽静动力特性进行了三维有限元分析。给出了静力分析结果，并与模型试验作了对比。结果表明：结构最大压应力和最大拉应力均满足强度要求。最大位移也满足刚度要求，同时进行了结构的动力特性的计算分析，为渡槽的抗震设计提供依据。     

渡槽结构动位移分析

根据渡槽的结构特点,应用ANSYS有限元分析软件,对实际工程中某渡槽进行了抗震分析,探讨了该渡槽在4种工况下的动位移变化范围,结果表明槽内是否有水对结构整体的动位移均有一定影响,所得结果可为该渡槽的抗震设计提供依据.     

渡槽结构动位移分析

根据渡槽的结构特点,应用ANSYS有限元分析软件,对实际工程中某渡槽进行了抗震分析,探讨了该渡槽在4种工况下的动位移变化范围,结果表明槽内是否有水对结构整体的动位移均有一定影响,所得结果可为该渡槽的抗震设计提供依据。     

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。