大型梁式渡槽地震反应分析及设计方法研究（可复制毕业论文）.pdf

摘要
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摘要
本文致力于大型排架支撑梁式渡槽结构体系的动力特性和建立简化渡槽抗
震设计理论的研究。随着渡槽大型化及轻柔化趋势,地震和强风对大型渡槽的作
用机理及其特性,尤其是架设在高排架或拱之上的大型渡槽结构,装载着高于结
构自重倍以上的水体在强地震作用或强风的激励下,它的动力性能如何,是本
课题研究的第一个关键问题。
论文在充分考虑到外界地震激励、渡槽结构和水动力根合作用的基础上,率
先采用任意拉格朗日一欧拉非线性有限元方法对渡槽一水体系进行流固祸合分
析,分析渡槽中水体的大幅晃动非线性动力性能,并对渡槽一水体二维祸合体的
动力性能进行参数分析,探讨外激励、渡槽中工作水位、渡槽截面形式、渡槽截
面宽度等参数对渡槽一水祸合体动力性能的影响。
在综合运用计算流体力学和计算结构力学技术的基础上,在国内首次实现排
架一渡槽一水体三维祸合体的数值仿真动力分析,实现了对渡槽结构及流场运动
过程的实时模拟,并且与典型算例结果对比,证明了这一方法的有效性。通过变
化排架支撑刚度、渡槽截面形式、外激励和工作水位等参数对三维渡槽结构一水
祸合体系动力性能进行数值仿真分析,以更进一步掌握三维渡槽结构一水祸合体
的动力特性。
通过对比二维、三维渡槽结构一水祸合体的动力特性,证明了采用二维渡槽
一水祸合模型和采用三维渡槽一水祸合模型模拟水体大幅晃动作用具有部分相
似的动力特征,但是二维渡槽模型具有很大的局限性。二维渡槽模型无法考虑下
部支撑、地基土、实际外激励的动力影响作用,而且采用二维渡槽模型,水体的
动力特性更加接近于刚性三维槽壳中水体的动力特性。以上研究均为建立渡槽结
构抗震设计简化方法打下坚实基础。
渡槽中水体对渡槽结构体系呈激励还是减震作用一直是渡槽抗震设计的一
个关键问题。本文采用线性方法和非线性有限元方法对比分析三维渡槽一水流固
祸合体,首次验证了渡槽中水体的效应—渡槽中水体大幅晃动作用对渡
槽结构体系起到减震作用。目前国内普遍采用仅考虑水体微幅晃动作用的线性方
法,忽略了渡槽中水体的大幅晃动作用,对抗裂要求极高的渡槽槽壳结构设计不
利,而过高估计了渡槽下部支撑的侧移和倾覆问题。
研究表明任意拉格朗日一欧拉有限元方法简称方法是目前解决流
固祸合问题的一种有效方法,在预测流体对结构的作用时,线性解与非线性解有
明显的区别,一般情形下宜采用非线性模型动水压力应该作为一项主要的外荷
载予以考虑,动水压力作用较静水压力作用较大幅度的改变了渡槽中应力的分布
华南理工大学工学博士论文
及应力值的大小渡槽中水体大幅晃动作用对渡槽结构体系起到减震作用二维
渡槽模型由于无法考虑下部支撑、地基土、实际外激励的动力影响作用及相互藕
合作用具有很大的局限性。而仅考虑不等高排架支撑影响时,外激励作用会引起
不等高排架支撑渡槽槽体结构发生扭转,扭转作用和水体大幅晃动作用显著改变
动水压力和槽体应力,对渡槽结构配筋、止水缝等不利,验证采用二维渡槽模型
无法反应渡槽结构实际动力性能。
我国渡槽结构的数量和规模己处于世界前列,但渡槽设计,尤其是大型渡槽
结构设计没有专门的规范可循,多借鉴其它相关结构的设计规范或规程。小型渡
槽一般不需要采用预应力技术,有限的动水压力和槽体应力的改变不会影响渡槽
的安全性,渡槽中根据设计配置的钢筋均可以正常工作,起到承载作用,规范方
法满足要求。而大型渡槽一般采用预应力技术,大幅水体晃动作用将引起动水压
力和槽体应力的显著改变,极大程度影响预应力钢筋布置的合理性和有效性,甚
至预应力钢筋产生反作用,导致槽体开裂。因此随着大型渡槽的不断兴建和新型
渡槽结构型式的出现,渡槽设计所依据的基础理论研究落后于工程实践的问题已
经很突出,迫切需要形成一套系统的渡槽设计理论。这是本课题研究的第二个关
键问题。
论文在综合三维渡槽结构体系动力性能和渡槽结构体系特点的基础上,在国
内首次提出渡槽一水体伪三维祸合体简化动力分析模型。伪三维简化分析模型在
渡槽结构的设计分析中不但能够考虑渡槽结构的下部支撑、渡槽中水体的大幅晃
动作用及水体对渡槽槽体的作用,而且极大程度的减轻了建模和计算分析的工作
量和时间,为实际工程应用提供可能。通过对三维渡槽一水祸合体和渡槽一水伪
三维祸合体系动力性能的对比分析,在渡槽一水伪三维祸合体系中引入“水阻尼”
及动水压力修正系数,来模拟外激励作用引起的水体大幅晃动作用对渡槽结构体
系的影响作用。分析表明渡槽一水祸合体伪三维模型可以较精确的模拟渡槽结构
体系与水体的动力特性,验证了本文所提出的渡槽一水祸合体伪三维