联体式渡槽流固耦合动力特性分析

基于势流体假设建立渡槽——水流固耦合二维联体式渡槽模型,分别计算比较刚性地基约束情况和考虑桩土作用的弹性地基约束情况的渡槽结构在不同水深工况下的计算结果,分析了联体式渡槽的动力特性以及土一桩结构相互作用对上部结构动力特性的影响。计算结果表明：槽内水体使结构自振频率降低,并且随着水深的加大频率降低越多;考虑桩一土相互作用使渡槽结构变柔,自振周期变长,因此在渡槽的静动力计算分析中有必要考虑桩土作用。     

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。     

排架式渡槽流 固耦合动力特性分析

本文分析了排架式渡槽横向流 固耦合动力特性，计算结果表明：排架式渡槽流 固耦合系统的模态可分为两类：一类为“流体振荡模态”，以流体的晃动为主，反映了流体固有晃动模态在耦合系统中的影响；另一类为“结构振荡模态”，以结构的振动为主，反映了结构固有振动模态在耦合系统中的影响。提出了两种特征值问题的计算方法，将其应用于实例计算，讨论了两种方法的优缺点。     

排架式渡槽流一固耦合动力特性分析

本文分析了排架式渡槽横向流一固耦合动力特性，计算结果表明排架式渡槽流一固耦合系统的模态可分为两类一类为“流体振荡模态”，以流体的晃动为主，反映了流体固有晃动模态在耦合系统中的影响；另一类为“结构振荡模态”，以结构的振动为主，反映了结构固有振动模态在耦合系统中的影响．提出了两种特征值问题的计算方法，将其应用于实例计算，讨论了两种方法的优缺点．     

大型多侧墙联体式矩形渡槽槽身优化设计研究

应用复合形法对大型多侧墙联体式矩形渡槽槽身进行了多因素约束条件优化设计研究,指出:采用多因素优化设计可得到结构适用性、安全性、经济合理性协调一致的设计方案;横梁布置间距对槽身优化方案有一定影响,适当减小横梁间距,可有效加大槽身跨径;由于槽身重力大,平原地区基本风压较小,因此槽身横向抗风稳定具有足够的安全度.     

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.     

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。     

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.     

水工结构流固耦合动力特性分析

本文给出了结构位移与流体速度势表示的结构－水流作为统一流固耦合系统的基本方程与定解条件，从加权余量的伽辽金方法出发，导出系统的有限元方程，对某弧形闸门的动力特性进行了详细分析，得出了弧门在不同开度下流固耦合的理论模态特性。     

考虑流固耦合的大型预应力渡槽地震反应分析

借助大型通用有限元软件ANSYS对“渡槽槽身+槽内水体+预应力钢绞线”复杂体系进行有限元模拟研究,并编制相应程序,计算了南水北调中线洺河渡槽在同步激励作用下的地震时程响应,进行地震荷载作用下的强度和刚度校验,从而确定了渡槽的抗震性能,为实际工程提供了有价值的参考。实例计算表明,该模型及方法可为具有流—固耦合特征的大型预应力渡槽结构的抗震设计提供实用有效的方法。     

大型渡槽结构振动特性分析研究

南水北调中线工程有大型渡槽几十座,其中大部分处于地震烈度较高地区,必须了解其振动特性,以分析渡槽的抗震性能。考虑了大型渡槽流固耦合作用、盆式支座影响以及拉杆作用等因素,利用大型有限元软件ANSYS,根据渡槽结构特点,采用板壳、实体、梁杆、弹簧、质子等单元建立南水北调中线工程某大型渡槽有限元整体模型,分析该渡槽运行期间的4种工况模态变化规律,所得结果为该大型渡槽的抗震设计提供依据。     

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。     

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。     

基于可靠度理论的多槽式矩形渡槽优化设计研究

南水北调工程中的大型多槽式预应力矩形渡槽是一种大跨度、大宽度、大高度及大宽高比的新型输水结构,其横向变形不能忽略,在施工、运用过程中将受到比以往小型渡槽更多的不确定因素的影响。首先应用变形相容性原则,考虑了纵向与横向变形的交互影响,然后以结构可靠性指标为约束条件（其中包括性态约束：纵向侧墙的抗弯承载力、跨中挠度、正、斜截面抗裂、整体横向抗风稳定,和适用性约束：输水能力）,建立了结构优化数学模型,采用复合型法寻优求解。所得结果为其工程实践提供了理论指导和有价值的参考。     

预应力渡槽的竖向振动特性和地震反应

首先建立了考虑预应力影响的渡槽竖向地震反应分析的变系数微分方程。然后应用模态摄动法和振型叠加法，提出了预应力渡槽竖向动力特性和地震反应的计算方法。最后通过典型工程实例分析，讨论了渡槽竖向地震反应分析中的预应力和槽内水体对渡槽动力特性和抗震性能的影响及渡槽竖向高阶振型对渡槽地震反应的贡献等。算例结果表明，施加预应力使渡槽的自振频率升高、抗震能力增强，渡槽的竖向地震反应中高阶振型的贡献可以忽略，槽内水体对渡槽的自振特性和地震反应有很大影响。在渡槽的抗震设计中应考虑渡槽竖向地震反应的影响。     

平面闸门流固耦合自振特性研究

为了使设计的闸门自振频率远离水流的高能脉动主频率段，以保证闸门的安全，在重点考虑流固耦合引起的“附加质量”对闸门自振特性的影响的基础上，采用三维边界元的数值分析方法，获取闸门的自振频率和振型模态特性。对德清大闸定轮平面闸门的数值计算结果表明：水头对闸门的影响总趋势是使其自振频率降低、振动模态发生变化；闸门局部开启工况第1阶频率较低，振型主要是门叶沿竖直方向的整体振动；低阶振动模态中除门叶竖直方向的整体振动模态外，其余各阶均显示为门叶的弹性变形振动。为提高闸门自振频率，需对其结构进行优化设计。     

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。     

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。