山西大跨度钢结构渡槽静、动力分析
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摘要
我国地域辽阔,但水资源的分布是很不均匀的.为了调节水资源而造福于人类,实施水资源的跨地区、跨流域的输送,国家计划实施南水北调计划工程,在南水北调工程中需要修建大量的渡槽,这些渡槽所建地区大部分位于地震烈度为七度及以上区域,有的还在地震高发区;因此这些渡槽的抗震设计,对整个南水北调工程的安全和经济运行有着至关重要的影响。
本文以南水北调运城引黄西杜村工程为背景,采用上承式钢管与钢管混凝土复合拱结构作为支撑结构。根据结构构件的单元模拟,通过有限元软件MIDAS建立结构的空间整体模型,运用力学知识对模型结构的整体性能进行分析：
1)分析渡槽内水位为空水位、设计水位和满水位时,三种不同荷载工况下结构的位移和应力,得到渡槽结构的静力性能及变化图形。
2)对渡槽结构整体进行模态分析,得到有限元模型前20阶自振特性及相应的振型特征。
3)反应谱及时程分析,采用振型分解反应谱法针对三种不同荷载工况进行动力反应谱分析,然后输入Taft波对渡槽结构进行地震动力时程分析。
4)得到静、动力分析数据,对渡槽进行稳定计算。
通过以上分析,得到渡槽整体的最不利荷载工况、位移最大处、最大弯矩、最大轴向应力及其薄弱环节,为以后相似工程做个参考。
China has a territory, but the distribution of water resource is very uneven. In order to regulate water resource and bring benefit to mankind, our nation is planning a South-to-North water diversion project in which many aqueducts are needed. The seismic intensity of areas in which the aqueducts are constructed is more than7degree. Some of the areas are in high seismic zone. Therefore, the seismic design of aqueducts has essential effect on safety and economic operation of South-to-North water diversion project.
This article is against the background of south-to-north water diversion Yuncheng pulling-huang Xishe Village project, using deck steel pipe and concrete filled steel tube composite arch structure as a support structure. According to unit simulation of the structural elements, using the finite element software MIDAS to establish the structural overall model, to analyze the structural overall performance through the calculation of the spatial mechanical model:
1) To analyze the structural deformation, displacement and force of three different operating conditions, to access static performance of the aqueduct structure.
2) Dynamic analysis of the aqueduct structure:modal analysis, to list the top20order natural vibration characteristics and corresponding vibration mode characteristics of the finite element model;
3) Response spectrum analysis, to analyze vibration modal decomposition response spectrum method from three different operating conditions,time history analysis, inputting the Taft wave, time history analysis of earthquake dynamics to the aqueduct structure.
4) To stably calculate the aqueduct, based on static and dynamic analysis results.
The ultimate load condition, maximum displacement, maximum bending moment, maximum axial stress and weak links were obtained by analysis above and provide reference for later similar projects.
本文以南水北调运城引黄西杜村工程为背景,采用上承式钢管与钢管混凝土复合拱结构作为支撑结构。根据结构构件的单元模拟,通过有限元软件MIDAS建立结构的空间整体模型,运用力学知识对模型结构的整体性能进行分析：
1)分析渡槽内水位为空水位、设计水位和满水位时,三种不同荷载工况下结构的位移和应力,得到渡槽结构的静力性能及变化图形。
2)对渡槽结构整体进行模态分析,得到有限元模型前20阶自振特性及相应的振型特征。
3)反应谱及时程分析,采用振型分解反应谱法针对三种不同荷载工况进行动力反应谱分析,然后输入Taft波对渡槽结构进行地震动力时程分析。
4)得到静、动力分析数据,对渡槽进行稳定计算。
通过以上分析,得到渡槽整体的最不利荷载工况、位移最大处、最大弯矩、最大轴向应力及其薄弱环节,为以后相似工程做个参考。
China has a territory, but the distribution of water resource is very uneven. In order to regulate water resource and bring benefit to mankind, our nation is planning a South-to-North water diversion project in which many aqueducts are needed. The seismic intensity of areas in which the aqueducts are constructed is more than7degree. Some of the areas are in high seismic zone. Therefore, the seismic design of aqueducts has essential effect on safety and economic operation of South-to-North water diversion project.
This article is against the background of south-to-north water diversion Yuncheng pulling-huang Xishe Village project, using deck steel pipe and concrete filled steel tube composite arch structure as a support structure. According to unit simulation of the structural elements, using the finite element software MIDAS to establish the structural overall model, to analyze the structural overall performance through the calculation of the spatial mechanical model:
1) To analyze the structural deformation, displacement and force of three different operating conditions, to access static performance of the aqueduct structure.
2) Dynamic analysis of the aqueduct structure:modal analysis, to list the top20order natural vibration characteristics and corresponding vibration mode characteristics of the finite element model;
3) Response spectrum analysis, to analyze vibration modal decomposition response spectrum method from three different operating conditions,time history analysis, inputting the Taft wave, time history analysis of earthquake dynamics to the aqueduct structure.
4) To stably calculate the aqueduct, based on static and dynamic analysis results.
The ultimate load condition, maximum displacement, maximum bending moment, maximum axial stress and weak links were obtained by analysis above and provide reference for later similar projects.
引文
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[44]韦建刚,陈宝春,孙潮,陈友杰.钢管-钢管混凝土复合拱桥静力性能研究[J],福州大学学报,200602
[45]陈红.大跨钢管混凝土拱桥地震响应分析[D],西安：长安大学,2004
[46]PKPM用户手册及技术条件
[47]薛志成,杨璐土木工程荷载与结构设计方法北京：科学出版社2011
[48]吴持恭水力学北京：高等教育出版社2005
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[50]赵存友工程流体力学哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社2010
[51]张凯.大跨度混凝土拱桥地震反应分析,硕士学位论文,2009
[52]周厚贵,马吉明,马金刚国内外渡槽的发展与南水北调中线漕河渡槽 南水北调与水利科技2007(6)：14-17
[53]冀小辉渡槽结构抗震性能分析硕士学位论文2011
[54]耿飞 大跨度钢管混凝土拱桥动力性能分析硕士学位论文2010
[55]孟勇 大型上承式桁架拱渡槽的模型试验及三维有限元分析2005
[56]韩超钢管混凝土拱型渡槽静动力性能分析硕士学位论文2008
[57]解欣 下承式钢管混凝土拱桥的静动力性能分析研究硕士学位论文2008
[58]吴帅锋 大跨度钢管混凝土拱桥的稳定性分析硕士学位论文2007
[59]王青沙 山西某大跨复合拱式渡槽支撑结构的稳定与地震响应分析 硕士学位论文2011
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[61]陈宝春拱桥技术的回顾与展望福州大学学报2009,2(37)：94-106
[62]雷杰,金伟良,张爱晖下承式桁架渡槽的结构可靠度分析水利水电科技进展2005.2(25)：37-40
[63]陈春雷 曹娥江大闸闸上水库可外调水量研究硕士学位论文 2009
[64]张华忠 大型梁式渡槽结构地震响应分析 硕士学位论文 2003
[65]陈玉恒大规模、长距离、跨流域调水的利弊分析水资源保护2004
[66]李选栋钢管混凝土拱桥空间稳定非线性分析硕士学位论文2006
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