大型倒虹吸水工结构动力响应分析

发布时间：2017-10-15 22:22

  本文关键词：大型倒虹吸水工结构动力响应分析

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【摘要】：我国的水资源十分丰富,但分配极不均匀,通过大型调水工程实现跨流域的水资源重新分配则显得尤为重要。南水北调工程是目前在建的最大调水工程,它能有效缓解我国北方水资源严重短缺问题,而大型倒虹吸结构作为一种立交水工建筑物广泛应用于该调水工程,且以渠道倒虹吸居多。倒虹吸结构分布跨度大,致使其中很多结构都处于高发地震区域,保证这些倒虹吸结构在未来可能遭遇的地震中安全可靠地运行直接决定着南水北调工程的巨大经济社会效益。我国作为一个地震多发国家,加之很多渠道倒虹吸结构身处地震高发区域,这些结构极易遭遇近、远场地震动作用。其中近场地震动伴随有速度和位移脉冲,这种脉冲效应能使结构承受高能量的冲击作用,引起结构产生较大的内力、变形及位移;而远场地震动具有丰富的长周期分量,这些长周期部分很可能与大型渠道倒虹吸结构的管-土整体结构体系自震周期相近或一致,由此形成结构的共振或者类共振现象,从而严重破坏结构。本文依托南水北调工程建设背景,选取工程中的大型渠道倒虹吸作为研究对象。根据土-结构动力相互作用原理,并考虑到管道内动水作用的影响,应用大型有限元分析软件ANSYS建立管-土-水体整体模型,由此并分析计算渠道倒虹吸结构在近、远场两种不同频谱特性地震动作用下的动力响应。文中将渠道倒虹吸结构拆分为成水平管身段和进口渐变段两个部分进行建模研究,分别创建了水平管身段二维、三维模型以及进口渐变段三维模型进行动力响应分析,计算研究结果主要表明:(1)管内水体能有效地降低管-土结构体系各阶振型的幅值,且过水孔道越多,管-土体系自振幅值越小;(2)在本研究设定的近、远地震动作用下,结构在水平向均会产生了较大的绝对位移量,容易造成管道接口的错动破坏;另外,在近场地震动中竖向地震分量也明显引起结构竖向产生较大绝对位移量,因而在近场地震动分析中,考虑竖向地震动十分必要。(3)在本研究设定的近、远场地震动作用下,倒虹吸结构各个模型动力计算的拉、压应力极值均未达到结构的抗拉、抗压强度水平,结构不会出现拉、压应力破坏;但进口渐变段三维模型动力计算产生了1MPa以上的最大拉,该值与结构2.05MPa抗拉强度水平数量级相当,会使结构产生拉应力损伤,比如拉裂缝。(4)在本研究设定的近、远场地震作用下,动力分析中所作的位移、应力时程曲线都存在突跳现象,尤其在远场地震动作用下三维水平管身段模型的应力曲线中突跳更为明显。这种位移、应力突跳现象与近场地震动的脉冲作用,远场地震动引起结构的短暂共振现象不无相关性,另外严重的骤升骤降突调现象对结构破坏作用较大。(5)倒虹吸结构表现出明显的动响应滞后现象,例如绝对位移极值时刻,拉、压应力极值时刻都滞后于地震动的峰值加速度时刻,这应该是缘于地基土的较小弹性模量,且土壤吸收了地震的部分能量。
【关键词】：倒虹吸 相互作用 有限元 人工边界 地震反应 时程分析
【学位授予单位】：中国地震局兰州地震研究所
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TV312;TV672.5
【目录】：

• 摘要7-9
• Abstract9-11
• 第一章 引言11-20
• 1.1 选题背景及研究意义11-13
• 1.1.1 倒虹吸结构的应用11
• 1.1.2 南水北调中线地震地质环境11-12
• 1.1.3 地下管道结构震害情况12-13
• 1.2 倒虹吸结构抗震研究现状13-16
• 1.2.1 埋地管道的抗震研究现状13-15
• 1.2.2 渠道倒虹吸结构的抗震研究现状15-16
• 1.3 地震波的选择16-18
• 1.3.1 选择近场地震波的选择依据17-18
• 1.3.2 选择远场地震波的依据18
• 1.4 本文的主要研究内容及创新点18-20
• 第二章 倒虹吸结构有限元动力分析基本方法理论20-32
• 2.1 动力学分析的有限元方法20-23
• 2.1.1 动力平衡方程的建立20-21
• 2.1.2 动力平衡方程的求解21-23
• 2.2 土与结构的本构关系23-25
• 2.2.1 结构的线弹性本构关系23-24
• 2.2.2 土体本构关系24-25
• 2.3 土-结构-水三相整体动力分析25-27
• 2.3.1 土-地下结构动力分析方法选择25-26
• 2.3.2 土与结构动力相互作用的实现26
• 2.3.3 水与结构动力相互作用方法的选择26-27
• 2.3.4 水与结构动力相互作用的实现27
• 2.4 人工边界条件27-29
• 2.4.1 粘弹性人工边界理论27-28
• 2.4.2 粘弹性边界的物理意义及其在ANSYS中的实现28-29
• 2.5 阻尼理论29-30
• 2.6 地震波的选择方法30-31
• 2.7 本章小结31-32
• 第三章 倒虹吸水平管段二维结构时程分析32-56
• 3.1 工程概况及二维有限元模型32-37
• 3.1.1 工程概况32-35
• 3.1.2 倒虹吸结构荷载组合35
• 3.1.3 单元类型的选择35-36
• 3.1.4 模型的基本假定36-37
• 3.1.5 有限元模型37
• 3.2 选取地震波37-40
• 3.2.1 地震波的选取及调整37-40
• 3.3 模态分析40-44
• 3.3.1 干模态分析40-41
• 3.3.2 湿模态分析41-43
• 3.3.3 干、湿模态分析对比43-44
• 3.4 近场地震作用下结构时程分析44-51
• 3.4.1 倒虹吸结构位移响应44-47
• 3.4.2 倒虹吸结构应力响应47-51
• 3.5 远场地震作用下结构时程分析51-54
• 3.5.1 倒虹吸结构位移响应51-52
• 3.5.2 倒虹吸结构应力响应52-54
• 3.6 本章小结54-56
• 第四章 倒虹吸水平管段三维结构时程分析56-76
• 4.1 三维有限元模型基本情况56-57
• 4.1.1 结构荷载组合、模型尺寸及材料基本参数56
• 4.1.2 采用的单元及建模基本假设56
• 4.1.3 三维时程分析所选用的地震波56-57
• 4.2 三维水平管段模态分析57-58
• 4.3 近场地震作用下结构时程分析58-66
• 4.3.1 倒虹吸结构位移响应58-62
• 4.3.2 倒虹吸结构应力响应62-66
• 4.4 远场地震作用下结构时程分析66-72
• 4.4.1 倒虹吸结构位移响应66-68
• 4.4.2 倒虹吸结构应力响应68-72
• 4.5 水平管身段二维、三维模型计算结果对比72-74
• 4.6 本章小结74-76
• 第五章 倒虹吸进.渐变段三维结构时程分析76-97
• 5.1 三维有限元模型基本情况76-77
• 5.1.1 模型几何尺寸76
• 5.1.2 结构荷载、采用的单元、建模基本假设及合理性讨论76-77
• 5.2 三维进.渐变段模态分析77-78
• 5.3 近场地震作用下结构时程分析78-88
• 5.3.1 倒虹吸结构位移响应78-84
• 5.3.2 倒虹吸结构应力响应84-88
• 5.4 远场地震作用下结构时程分析88-95
• 5.4.1 倒虹吸结构位移响应88-91
• 5.4.2 倒虹吸结构应力响应91-95
• 5.5 本章小节95-97
• 第六章 结论与展望97-100
• 6.1 结论97-99
• 6.2 展望99-100
• 参考文献100-105
• 致谢105-106
• 作者简介106

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前6条

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本文编号：1039040