渡槽结构振动特性分析

基于黏弹性边界的渡槽结构地震动力特性分析作者：梁钟元王浩许新勇来源：《人民黄河》2020年第02期摘要：建立了雙洎河渡槽地震动分析的数值仿真模型，编制程序实现了黏弹性人工边界法，并通过算例验证其正确性，黏弹性边界具有良好的波动能量吸收和耗散效果。

考虑水体动力效应，基于黏弹性边界，进行渡槽结构地震动力特性分析。

对渡槽结构的动位移和动应力分析表明：随着渡槽结构高度的增大，结构响应的加速度有增大趋势;支墩底部到槽身顶部，水平向加速度对结构的影响更加明显;槽身底板与支座相交处和支墩底部的动应力值水平较高，是地震动薄弱的集中区域，需加强局部配筋或支撑以增强抗震能力。

关键词：渡槽;黏弹性边界;地震响应;动力破坏;南水北调中图分类号：TV68文献标志码：Adoi：10.3969/j.issn.1000-1379.2020.02.017Abstract：A numerical simulation model for seismic analysis of Shuangjihe aqueduct was established， and the viscoelastic artificial boundary method was realized by programming. The validity of the method was verified by an example. The developed viscoelastic boundary had good wave energy absorption and dissipation effect. Considering the dynamic effect of water body， The seismic dynamic characteristics of aqueduct structure were analyzed based on viscoelastic boundary. The research results of dynamic displacement and stress of aqueduct structure show that with the increase of the height of aqueduct structure， the acceleration of structural response tends is increased;from the bottom of pier to the top of the aqueduct body， the influence of horizontal acceleration to the structure is more obvious; at the intersection of the bottom of the aqueduct body and the support，and at the bottom of the pier， the dynamic stress level is higher. Local reinforcement or bracing should be strengthened to increase seismic resistance in concentrated areas with weak ground motions.Key words： aqueduct; viscoelastic boundary; earthquake response; dynamic failure; South-to-North Water Transfer渡槽结构是南水北调中线工程中重要的跨穿越输水建筑物，其安全稳定运行对调水影响巨大。

大型渡槽结构振动台模型试验及抗震性能研究的开题报告题目：大型渡槽结构振动台模型试验及抗震性能研究一、选题背景渡槽是一种用于水下隧道施工的临时性结构，通常由钢板或混凝土制成。

渡槽的施工需要满足高强度、高稳定性和高刚度等特点。

在地震发生时，渡槽的抗震性能直接关系到施工安全和人员财产安全。

因此，研究针对渡槽结构的抗震性能尤为重要。

目前，国内外学者已经在渡槽的领域做了大量的研究，但大多数研究都是基于理论计算和数值模拟。

缺乏实验验证，难以准确评估渡槽结构的抗震性能，同时也限制了建筑设计的可靠性和经济性。

因此，进行渡槽结构振动台模型试验的研究已经成为热门话题。

二、研究目的本研究旨在通过渡槽结构振动台模型试验，对其动力响应、安全性能和抗震性能进行评估，并提出相应的加固和设计建议，保障施工人员和设备的安全，同时提高渡槽结构的经济和可靠性。

三、研究内容和方法1. 渡槽结构振动台试验：利用振动台模拟当地地震情况，对渡槽结构的动力响应进行研究，探究渡槽结构在地震作用下的特性和行为。

2. 动力分析：通过分析振动台试验数据，建立渡槽结构的动力模型，研究其动力特性和响应规律。

3. 抗震性能评估：根据试验结果和动力模型，对渡槽结构的抗震性能进行科学评估，并提出优化设计建议。

4. 受力分析：对振动台试验数据进行受力分析，验证渡槽结构在地震作用下的承载能力。

5. 加固和设计建议：基于试验和分析结果，提出加固和设计建议，优化渡槽结构的抗震性能和经济性。

四、研究意义本研究采用振动台模型试验的方法，对渡槽结构的抗震性能进行研究，具有重要的理论和实际意义。

首先，通过试验可以更加准确地评估渡槽结构的抗震性能，为渡槽的加固和设计提供科学依据。

其次，试验能够验证理论计算和数值模拟的可靠性，在一定程度上缩小理论计算和实际工程存在的差距。

最后，本研究将为国内外渡槽结构的抗震设计提供借鉴和参考，促进渡槽结构抗震设计水平的提高。

五、预期成果通过本研究，预计可以获得以下成果：1. 渡槽结构的动力响应及抗震性能研究报告；2. 渡槽结构的振动台模型试验数据和受力分析数据；3. 渡槽结构抗震加固和优化设计建议；4. 相关技术论文和专利申请。

第29卷第6期2008年12月华　北　水　利　水　电　学　院　学　报Journa l of Nort h China Institut e of W ate r Conservancy and Hydroe l ec tric Powe rVol 129No 16Dec .2008收稿日期65作者简介白新理(5—),男,河南尉氏人,教授,工学硕士,主要从事结构数值模拟及结构优化设计方面的研究文章编号:1002-5634(2008)06-0010-05基于(u i ,p )格式的U 型渡槽动力特性及动力响应分析白新理,张　静,刘景全(华北水利水电学院,河南郑州450001)摘　要:结合沙河渡槽的设计要求,考虑渡槽在正常运行过程中槽内水体与槽身产生的动力相互作用,采用流固耦合的理论,建立了水体和结构的耦合场模型,然后对渡槽进行了振动特性分析,探讨了渡槽在6种工况下的模态变化范围,用拟静力法进行动力响应计算,得出渡槽结构在地震作用下位移和应力响应的最值及随时间变化的规律,为该渡槽的抗震设计提供依据.关键词:渡槽;动力相互作用;流固耦合;模态;拟静力法中图分类号:T V312 文献标识码:A 大型渡槽的动力问题实际上属于流固耦合的动力学问题,为确保沙河渡槽设计的安全与合理性,对U 型设计方案的渡槽进行动力特性和响应分析.沙河渡槽位于河南省鲁山县,由沙河梁式渡槽、第一段涵洞式渡槽和第二段涵洞式旱渡槽联合组成,设计流量为320m 3/s,设计水头即从上游进口渐变段起点到下游出口渐变段终点的总水头损失为1.77m.其中沙河梁式渡槽与沙河正交,横向双联布置,每联2槽,共4槽,单槽净宽7100m ,净高7.90m.流固耦合力学的重要特征是两相介质的交互作用,即固体在流体载荷作用下会产生变形或运动,而变形或运动反过来又影响流场的流动,从而改变流体载荷的分布和大小.根据渡槽结构的实际情况,文中的耦合问题做如下假定:①耦合作用仅发生在两相交界面上;②流体是无粘性的理想流体[1].渡槽的振动特性分析是渡槽结构的地震反应计算和抗震设计的基础.渡槽结构的模态分析,包括自振频率和主振型.自振频率既是表征渡槽结构刚性的指标,也是判断渡槽结构是否会发生共振的依据.渡槽结构的主振型与结构动力反应的发生状态有密切关系.根据渡槽结构的模态,还可以判断渡槽结构计算模型的合理性.笔者利用有限元程序,对渡槽进行了多种工况下的振动特性分析研究[2].在自振特性的分析过程中,为了能更好了解渡槽结构的动力特性,采用了整体模型(水体—槽体—支座—槽墩—桩墩—柱基—地基的系统),按照流固耦合理论先求得结构自振频率,对于完全简支支座(叠层橡胶支座),基于文献[3]规定的反应谱(以下简称水工谱)对渡槽进行拟静力法动力响应分析.1　计算模型与荷载工况1.1　计算模型U 型渡槽槽体内部半径4100m ,槽体侧面厚度0.35m ,槽墩宽度1100m ,槽体高度8.60m ,单槽横向宽度10.40m ,单跨槽身长度45100m.利用有限元软件建立三维有限元模型进行分析计算,计算选取1跨渡槽建立力学模型.选取渡槽上游端中墙中线和底板中线的相交点为坐标原点,y 轴铅直向上,z 轴正向指向水流方向,x 轴指向槽身横向.根据通常遇到的流固耦合问题的特点,假设流体是无粘性可压缩的理想流体,采用三维块体单元和三维声学:2008-0-2:199.流体单元来建立有限元计算模型.三维声学流体单元用于模拟流体介质和流体结构相互作用问题上的分界面.流固耦合有限元分析模型如图1所示,结构边界条件为:桩墩下表面取为固定端;水体边界条件为:水体上表面,受到1个大气压的压力约束;在槽体两端,水体面上受静水压力和1个大气压的压力约束以及吸收边界条件.槽身采用C50混凝土,槽墩、承台采用C30,桩基采用C25,土体自上到下依次为卵石—强风化岩石—弱风化岩石.动力计算模型划分单元情况见表11图1　流固耦合有限元模型表1　动力计算模型划分单元构件名称所用单元单元数量说明槽身结构三维块体元3616槽顶横杆Link832支座CO MB I N14和C OMB I N4016每个支座竖向用1×CO MB I N14,2×C OMB I N40墩帽三维块体元360薄壁槽墩三维块体元288桩墩三维块体元540水体三维声学流体单元1088与结构接触水体水体三维声学流体单元3496无结构边界水体合计94201.2　荷载及工况荷载:槽身结构、槽身横杆、水荷载,相邻跨渡槽的作用以集中质量的形式将其质量的一半与水体质量的一半分别加在墩帽顶部[4].依据渡槽中水深的不同考虑6种工况:无水、1/4水深、1/2水深、3/4水深、设计水深、校核水深.2　大型渡槽模态分析2.1　渡槽的自振频率及振型以FS I系统建立槽体—水体—槽墩—基础—地基的系统力学模型,并在系统质量矩阵中引入相邻跨渡槽的水体质量,在刚度矩阵中引入支座的刚度,经对系统的特性方程求解,得到在各种流量下大型渡槽的自振特性及主振型,并给出自振频率与水深的变化关系曲线,如图2所示.由于最后得出不同工况的振型图差别不大,在图3中只列出了设计水深所对应的前6阶振型.　结果分析通过对大型渡槽结构在6种水深情况下的动力特性分析,得出如下结果1.计算结果表明,渡槽槽内水体对渡槽结构的动力特性有较大影响.渡槽结构的频率随着水的深度增加而减小,即质量越大,频率越低.2.水体对所选研究对象的主振型的振动形态影响不大,即湿模态振动形态类似于干模态振动形态.3.由振动形态来看,基本振型主要是渡槽薄壁墩的纵向弯曲振动,这是因为渡槽支座是空间简支的.槽体的纵向刚度很大,槽身和支座连接处是渡槽较弱的地方.图　基于FS I系统的(,)格式的不同水深下的自振频率11第29卷第6期白新理等:　基于(u i,p)格式的U型渡槽动力特性及动力响应分析 2.2:2uip3　基于拟静力法的渡槽结构动力响应分析3.1　计算条件所选工程对象抗震设防烈度为7度,设计基本地震加速度值为0.1g ,场地类别为Ⅱ类,设计地震分组:第①组.拟静力法中使用的计算模型是动力计算模型(流固耦合整体模型).在实际场地条件下,取如图4所示的地震设计反应谱[1].图4　地震设计反应谱3.2　计算结果分析图5给出了计算结果控制点的位置.拟静力法计算结果表明,在横向(x 方向)加速度的激励下,无论是跨中断面还是1/4跨断面,渡槽槽身的横向位移u x 是上部大,底部小.并且,随着水深的增加,由于水的横向惯性力也随着加大,因而横向位移u x 随水深增加,基本上与水深成比例增加.在校核水位情况下,侧墙上部结点的最大横向位移u x max 可达91141c m.图6给出了横向激励下的渡槽的变形图及位移和应力云图.由图形比较可知,在横向(x 方向)加速度的激励作用下,中部结点的横向应力σx 大于上部结构结点的在校核水位情况下,中部结点的最大横向应力σx x 可达6M 在横向(x 方向)加速度激励的作用下,中部结点的纵向应力σz 大于上部的.随着水深度的增加,中部结点的纵向应力σz 增加较多,而上部结点的σz 虽有增加但变化甚微.在校核水位的情况下,侧墙中部结点的纵向拉应力可达0.2639MPa.图5　渡槽槽身跨中1/4跨断面控制点示意图 横向(x 方向)激励下,对应于不同水位的最大位移、应力列入表2、表3中.由表2可以看出在横向(x向)加速度激励作用下,横向位移u x 的最大值u x max =9.033mm;横向应力σx 的最大值σx max =0.061MPa;纵向应力σz 的最大值为σzmax =0.274MPa .3.3　结果讨论用拟静力法对大型渡槽结构进行了动力响应分析,并且对不同水深的结果进行了比较分析,得出以下结论:1.水体对渡槽槽身和整个渡槽结构的动力响应影响较大.在大型渡槽的动力响应分析中,必须考虑动水压力的影响,建立合理的连同水体在内的结构计算模型.2.渡槽结构的动位移和动应力均随槽内水深的增加而增大因为随着水深的增加,渡槽结构的上部重量加大,从而使作用在渡槽上的地震作用也加大但应力均不超过混凝土的抗拉和抗压强度[5]21　华　北　水　利　水　电　学　院　学　报 2008年12月.m a 0.0Pa ....图6　横向激励下的变形图、位移云图和应力云图表2　横向(x向)激励下不同水深的响应极值(1/4断面)工况节点位移ux/mm节点应力σx/M Paσx-σx应力σz/MPaσz-σz无水38157-8.16838504+0.07148+0.272238295-0.06403-0.2613 1/4水深38157-8.01838504+0.06361+0.231238295-0.05706-0.2312 1/2水深38157-8.21338504+0.06079+0.227838295-0.05456-0.2187 3/4水深38157-8.38538504+0.05855+0.217638295-0.05260-0.2088设计水深38157-8.47538504+0.05749+0.212738295-0.05167-0.2041校核水深38157-8.59738504+0.05613+0.206439295-0.05049-0.1981　注:“+”为拉应力;“-”为压应力;38157为槽身顶部节点;38295为左槽身中部节点;38504为右槽身中部节点.表3　横向(x向)激励下不同水深的响应极值(1/2断面)工况节点位移ux/mm节点应力σx/M Paσx-σx节点应力σz/M Paσz-σz无水38839-8.87138952+0.0681638952+0.353638979-0.0729438812-0.3511 1/4水深38839-8.64338952+0.0612938952+0.312438979-0.0655438812-0.3102 1/2水深38839-8.88138952+0.0593738952+0.591038979-0.0634338812-0.2928 3/4水深38839-8.95538952+0.0579038952+0.280938979-0.0618138812-0.2790设计水深38839-9.03338952+0.0572238952+0.27423653校核水深3335+563635+6536363　注“+”为拉应力;“”为压应力;33为槽身顶部节点;35为左槽身中部节点;3为右槽身中部节点31第29卷第6期白新理等:　基于(u i,p)格式的U型渡槽动力特性及动力响应分析 8979-0.0108812-0.2724 889-9.1418920.08920.278979-0.00108812-0.29 :-8898928979. 3.在横向地震激励作用下,渡槽的纵向应力变化比横向应力变化较有规律,跨中大,向两端逐渐变小.4.渡槽振动模态受工况影响不大,其各阶模态主要分量的方向趋势不随运行工况变化而变化.4　结　语结合南水北调工程建设监管中心委托项目对大型渡槽结构的动力特性和动力响应进行了计算分析,得出了不同水深对大型渡槽结构动力特性的影响;并采用拟静力法对考虑水体作用的大型渡槽结构进行动力响应计算分析,得出不同水深对渡槽结构动力响应的影响.但是如何选择水的力学参数,如关于水的粘度以及水体的非线性晃动效应仍需进一步研究.参　考　文　献[1]白新理,张多新,马文亮,等.南水北调工程建设重大关键技术研究及应用(JG ZX JJ2006-10)[R].北京:大型渡槽施工和南水北调工程建设监管中心,2007.[2]张有春,彭利华,王晓亮.渡槽结构振动特性分析[J].河北软件职业技术学院学报,2007,9(3):66-681 [3]水利水电规划设计总院.S L203-97水工建筑物抗震设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2003.[4]李声平,彭翠玲,吴杰芳.大型U型双槽结构动力分析[J].长江科学院院报,2005,22(4):68-71.[5]王振东.混凝土及砌体结构[M].北京:中国建筑工业出版社,2006:31.D ynam ic C hara cter ist i c and Respon se Ana lysis of U2shaped AqueductBa sed on the(ui,p)F orm a tBA I Xin2li,ZHA N G J ing,L I U J ing2quan(North China I nstitute of W ater Conserv ancy and Hydr oelectric Po wer,Zhengzhou450011,China)Ab stra ct:B ased on de sign requirements of Shahe aqueduct,the coupled model of wate r and struc ture is set up by t he FS I theory,which conside rs t he po wer int e rac ti on be t w een wa ter and t he tank when the aqueduc t is i n the nor m al o pe ra ti on.The vibra ti on cha rac t e ristic of aqueduc t is ana l yzed,then t he variati on s copes of mode s under six conditions a re discuss ed,and the dyna m ic response is ca l cula t ed by pseudo2st a tic m ethod.A t la st,the most va lue and the la w of displacement and stre ss res ponse are obta ined,which p rovi de reference for the earthquake re sistant de sign of t he aqueduct.Key wor ds:aqueduc t;dynam i c interac ti on;FSI;mode;p seudo2sta tic me th od41　华　北　水　利　水　电　学　院　学　报 2008年12月。

地震作用下渡槽结构的动力可靠度分析的开题报告一、研究背景随着城市化进程的不断推进，城市交通的发展已成为各大城市建设中的重要组成部分。

在城市道路中，渡槽作为一种跨越道路或交通线路的重要形式，得到了广泛的应用。

然而，渡槽结构在地震作用下容易出现破坏，造成重大的经济损失和人员伤亡。

因此，渡槽结构在地震作用下的动力可靠度分析成为了研究的热点问题。

二、研究内容本文将对渡槽结构在地震作用下的动力可靠度进行分析，具体包括以下内容：1.对渡槽结构的基本概念进行介绍，包括其结构形式、应用范围等。

2.整理国内外关于渡槽结构地震响应分析的研究现状，分析现有研究的不足之处。

3.分析渡槽结构在地震作用下的动力特性，建立渡槽结构的动力模型，探究其地震响应规律。

4.使用可靠度理论对渡槽结构的地震可靠度进行分析，研究不同参数对渡槽结构地震可靠度的影响。

5.通过实例分析，验证本文所建立的渡槽结构地震可靠度分析方法的正确性和有效性。

三、研究意义本文的研究意义主要体现在以下三方面：1.对渡槽结构在地震作用下的动力响应进行分析，可以为渡槽结构的设计和改进提供理论依据。

2.使用可靠度理论分析渡槽结构的地震可靠度，可以为渡槽结构的安全评价提供科学的方法和手段。

3.通过实例验证本文所建立的渡槽结构地震可靠度分析方法的正确性和有效性，可以为类似工程提供可借鉴的经验和方法。

四、研究方法本文将采用数值模拟的方法对渡槽结构的地震响应进行分析，包括建立渡槽结构的动力模型，采用有限元方法进行数值模拟，以确定渡槽结构在地震作用下的响应。

同时，本文将运用可靠度理论对渡槽结构的地震可靠度进行分析，以确定渡槽结构在地震作用下的可靠性指标。

五、预期成果本文的预期成果主要包括以下方面：1.对渡槽结构在地震作用下的动力响应进行分析，揭示渡槽结构在地震作用下的响应规律。

2.使用可靠度理论对渡槽结构的地震可靠度进行分析，确定渡槽结构在地震作用下的可靠性指标。

3.通过实例分析，验证本文所建立的渡槽结构地震可靠度分析方法的正确性和有效性。

大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式大型渡槽是大型水利工程中不可或缺的重要组成部分，也是城市水泵房、自来水厂等水利设施的重要设备之一。

在渡槽的设计过程中，抗震性能一直是工程设计者关注的重点之一。

而流体的位移是影响渡槽抗震性能的重要因素之一。

如何通过有限元模式对大型渡槽的流体位移进行分析，以提高其抗震性能，是目前研究的热点问题之一。

一、大型渡槽抗震性能分析大型渡槽在受到地震作用时，其结构会受到一定幅度的变形，其中流体位移是影响其抗震性能的重要因素之一。

通常情况下，工程设计者会考虑流体位移对渡槽结构的影响，对其进行相应的抗震分析。

在分析中，通常会采用数值模拟的方法，通过有限元分析等数学方法对其进行分析。

但是，在大型渡槽抗震性能分析中，流体的位移对其结构的影响较为复杂。

一方面，流体的位移会产生剪切力和压力，从而对渡槽结构产生影响；另一方面，流体的位移还会对渡槽结构的材料和性能产生影响，影响其整体的抗震性能。

二、大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式在大型渡槽抗震分析中，有限元模式是一种广泛使用的数值模拟方法，其基本原理是将复杂结构划分为小块进行分析。

在大型渡槽抗震分析中，有限元模式可以将渡槽结构划分为多个小块，通过对小块之间的相互作用进行分析，得出整体渡槽结构的抗震性能。

在大型渡槽抗震分析中，流体的位移有限元模式通常采用两种模型：1. Euler模型Euler模型是一种适用于高速流体计算的数值模型。

在Euler模型中，流体被看作是一个连续的介质，其运动状态可以通过状态密度、速度和压力等变量来描述。

由于其计算方法简单，因此在一些高速流体计算中被广泛使用。

在大型渡槽抗震分析中，Euler模型可以用于分析流体在地震作用下的运动状态，得出其对渡槽结构的影响。

2. Navier-Stokes模型Navier-Stokes是一种适用于缓慢流体计算的数值模型，其基本原理是对流体的质量、动量和能量守恒等进行数学形式的表述，用于分析流体在静水作用下的运动状态。