摘要
南水北调工程是为解决我国水资源分布不均而兴建的大型水利工程。渡槽是南水北调工程中跨越河流、道路等的重要架空输水建筑物。在南水北调中线工程中大型渡槽就有数十座,且大部分位于地震烈度Ⅶ度及Ⅶ度以上地区,这些渡槽的抗震设计对整个南水北调中线工程的安全和经济运行有着至关重要的影响。因此,开展大型渡槽结构地震反应分析的研究具有重要的现实意义。
我国目前尚未颁布渡槽的抗震设计规范,在《水工建筑物抗震设计规范》中也无渡槽抗震设计的具体规定,近年来,因南水北调工程建设的需要,有不少设计研究人员致力于大型渡槽结构的抗震研究,取得了可观的研究成果,但大部分研究强调的是渡槽抗震计算的某个侧面,如主要针对渡槽结构的流固耦合作用、地震波一致输入和多点输入问题、预应力筋作用等因素中的某一因素进行研究,综合考虑各种因素影响建立大型渡槽结构整体有限元动力模型的研究较少,本文参考国内外有关渡槽抗震研究方面的大量文献,总结出大型渡槽动力分析模型需要考虑的各种影响因素及其合理的简化处理方法,其中包括模型计算范围的选取、结构与水的流固耦合作用、地震波的输入方式、盆式支座的模拟、预应力筋模拟、临跨荷载、顶部拉杆和底部横梁的影响,探讨采用大型有限元分析软件ANSYS中的梁单元、板壳单元、弹簧单元、质子单元和实体单元对渡槽整体结构进行有限元离散,利用该模型分析南水北调中线工程泜河渡槽三槽无水、中槽过水、两边槽过水和三槽过水四种运行工况的振动特性和在天津宁河地震波激励下的时程反应结果,找出渡槽不同运行工况各关键部位的最大位移及其变化规律和应力薄弱部位,依此提出合理的工程措施,所得结论为实际的设计提供参考。
The project of transporting water from south to north is a large water conservancy works for relieving the disproportion of water resources of China. The aqueduct of the project is the overhead water transporting construction which strides across rivers and roads. There are a few dozens of large-scale aqueducts in the main canal of the project and most of which locates in the regions where the earthquake intensity isⅦdegree or overⅦdegree. It is important to insure the seismic design security and economy utilize of the construction. So the study of seismic response for large-scale aqueducts has important practical significance.
Specifications for aqueduct has not promulgated in our country yet. There is also no prescription for seismic-resistant design in Specifications for seismic design of hydraulic Structure. Recently many designers and researchers devoted to study seismic research of large-scale aqueducts and obtained considerable achievements, but most of research emphasizes some factor, few researches contain all influencing factors. This article refer to the relevant domestic and international literature about seismic research of Aqueduct ,and summed up that the dynamic analysis models of a large aqueduct need to consider the various factors and reasonable simplified way, including selection of model’s calculated range、the fluid-solid coupled interaction of structure and water、the input mode of seismic wave、the simulation of pot bearing、the simulation of prestressed reinforcement、the load of adjacent span、the influence of the top pull rod and the based beam. At the same time, it carried out finite element discretization to the whole unit of the aqueduct by using the beam element、plate-shell element、spring element、proton element and entity element in ANSYS-a large-scale finite element analysis software. Via this model, the article analyzed vibration characteristics of four kinds of running conditions which are no water in three grooves、running water in the middle groove、running water in two sides grooves、running water in three grooves and get the reflection result of time history by the excitation of TIANJINNINGHE seismic wave to DI River Aqueduct in the middle project of south-to-north water transfer. And find out the biggest value and the change law of the key department and the waken part on stress in different working conditions, bring forward reasonable measures and the conclusions provide reference for practical design.
引文
[1]何建涛.大型渡槽流体与固体的动力耦合分析[D].西安:西安理工大学,2007
[2]中华人民共和国水利部.中国水资源公报2002[R]. 2003年9月,1～4
[3]俞澄生.南水北调的资源、环境和社会效应[J].长江流域资源与环境,1994,3 (3):265～270
[4]陈厚群.南水北调工程抗震安全性问题[J].中国水利水电科学研究院学报,2003,1(1):17～22
[5]王建军,李其汉,朱梓根等.自由液面大晃动的流固耦合数值分析方法研究进展[J].水力季刊,2001,22(4):447～454
[6]赵光恒.结构动力学[M].北京:中国水利水电出版社,1995
[7]张静娜.大型预应力渡槽考虑流固耦合的动力特性分析[D].邯郸:河北工程大学,2008
[8]邵岩,赵兰浩,李同春.考虑流固耦合的渡槽动力计算方法综述[J].人民黄河,2005,27 (11):55～56
[9]刘云贺,刘宝柱,闫建文,等. Housner模型在渡槽抗震计算中的适用性[J].水利学报,2002,(9):94～99
[10]何建涛,刘云贺,孙蓉莉.附加质量模型在渡槽抗震计算中的适用性研究[J].西安理工大学学报,2007,23(1):52～54
[11] A.Kareem and W.J.Sun.Stochastic Response of Structures with Fluid-Containing Appendages[J].Journal of sound and vibration,1987,119(3):389～408
[12]吴轶,莫海鸿,杨春.大型渡槽—水耦合体系动力特性分析[J].华南理工大学学报(自然科学版),2004,32(9):76～81
[13]吴轶,莫海鸿,杨春.大型矩形渡槽—水耦合体系动力性能分析[J].地震工程与工程振动,2004,24(4):137～142
[14]吴轶,莫海鸿,杨春.大型拱式U型薄壳渡槽结构的模态分析[J].华南理工大学学报(自然科学版),2003,31(3):72～76
[15]吴轶,莫海鸿,杨春.大型矩形、U形渡槽地震响应对比分析[J].地震工程与工程振动,2005,25(3):41～46
[16]吴轶,莫海鸿,杨春.三维排架渡槽中水的调频液体阻尼效应[J].水利学报,2005,36(9):1115～1120
[17]张伯艳,邓迎,李德玉.渡槽抗震计算中几个关键问题的简化处理方法[J].南水北调与水利科技,2005,3(2):46～48
[18]冯领香.渡槽结构多点地震输入的抗震分析[D].保定:河北农业大学,2004
[19]冯领香,魏建国,白永兵,等.渡槽结构多点输入的抗震分析[J].河北农业大学学报,2007,30(2):104～107
[20]屈臻.考虑空间影响的渡槽结构抗震分析[D].保定:河北农业大学,2005
[21] Housner G W.Dynamic Pressure on Accelerated Fluid Containers[J]. Bulletin of the Seismological Of America. 1957,47(1):15～35
[22] Housner G W.The Dynamic Behavior of Water Tanks[J].Bulletin of the Seismological Of America,1963
[23]居荣初,曾心传.弹性结构与液体的耦联振动理论[M].北京:地震出版社,1983
[24] Birbraer A N.Seismic analysis of structure[M].Sanket-Petersburg,Nauka,1998
[25]刘云贺(Liu Yun-he).大型渡槽、拱坝及升船机结构的抗震研究(Study on the earthquake-resistance of largescale aqueduct,arch dam and ship lift)[R].中国水利水电科学研究院博士后研究工作报告(Postdoctoral Research Report at China institute of Water Resources and Hydropower Research).2004
[26]王有智,夏卫华.用大质量法计算东风EQ140汽车前面罩的强迫运动响应[J].力学与实践,1998,20(5):32~34
[27]杨德庆等.考虑星一箭动力耦合作用结构瞬态响应分析[J].宇航学报,2003 ,24 ( 2 ): 213~216.
[28]陈幼平,周宏业.斜拉桥地震反应特性[J].中国铁道科学,1996. 17(I): 1~8
[29]史志利,周立志.大跨度桥梁抗震设计和振动控制的研究和应用现状[J].城市道桥与防洪,2002.,(4)::7~13
[30]张波,盛和太.ANSYS有限元数值分析原理和工程应用[M].北京:清华大学出版社
[31]刘相新,孟宪颐.ANSYS基础与应用教程[M].北京:科学出版社,2006
[32]张洪信.有限元基础理论与ANSYS应用[M].北京:机械工业出版社,2006.46~53
[33]王呼佳,陈洪军.ANSYS工程分析进阶实例[M].北京:中国水利水电出版社,2006
[34]盛和太,喻海良,范训益.ANSYS有限元原理与工程应用实例大全[M].北京:清华大学出版社
[35] Lee N K,Yoon J H and Yang D Y. Finite Element Analysis of Large Deformation by Automatic Renoding as a Weak Remeshing Teehnique Int.J.Mesh,Sei..,1992,34(4):255~273.
[36]彭云枫.渡槽抗震与抗风研究[D].武汉:武汉大学,2005
[37] SL203-97,水工建筑物抗震设计规范[S]
[38]于建华,谢用九,魏永涛.高等结构动力学[M].成都:四川大学出版社,2001
[39]徐伟.渡槽结构考虑流固耦合的地震反应计算[D].郑州:郑州大学,2004
[40]彭利华.大型渡槽结构抗震及隔振研究[D].河北:河北农业大学,2002
[41]刘云贺,张伯艳,陈厚群.南水北调穿黄渡槽工程抗震分析[J].水利水电技术,2004, 35(5):49～51
[42]徐建国,陈淮,王博,等.考虑流固动力相互作用的大型渡槽地震响应研究[J].土木工程学报,2005,38(8):67～73
[43]徐建国.大型渡槽结构抗震分析方法及其应用[D].大连:大连理工大学,2005
[44]王博,周士虎,徐建国,等.预应力混凝土渡槽抗震性能的试验研究[J].师姐地震工程,2005,21(4):38～41
[45]王清云,张多新,白新理,等.预应力U形薄壳渡槽结构的静动力分析[J].南水北调与水利科技,2005,3(3):59～62
[46]赵瑜,白新理,原小杰,等.东深供水改造工程渡槽支承结构受力分析[J].灌溉排水,2002,21(3):53～74
[47]陈淮,祁冰,杜晓伟.大型双槽渡槽横向地震响应分析[J].地震工程与工程振动,2004,24(5):118～122
[48] Ramaswamy B, Kawahara M. Arbitrary Lagrangian-Eulerian finite element method for unsteady,convective,incompressible viscous free surface fluid flow[J] .Int J Numer Methods Fluids,l987,7:1053～1075
[49]杜晓伟,陈淮,孙国钧.大型双槽渡槽地震反应分析[J].世界地震工程,2003,19(2):23～26
[50]戴湘和,陈玲玲,吴杰芳.南水北调中线跨黄河渡槽抗震计算研究[J].长江科学院院报,2002,19(3):52～55
[51]陈玲玲,钱胜国,徐得毅.大型水工渡槽减震隔震机理与效应分析[J].长江科学院院报,2005,22(5):70～73
[52]李遇春,李大庆,乐运国.大型渡槽竖向地震动力特性及地震动力反应[J].人民珠江,1999,(5):45～47
[53]张维,李锦华,李遇春.渡槽结构抗震计算时程分析方法[J].中国农村水利水电,2004,(4):51～53
[54]高兑现,李正农,张俊芝.渡槽结构动位移的动力有限元分析[J].西安建筑科技大学学报(自然科学版),2004,36(2):225～228
[55]高兑现,李正农,唐永胜.渡槽结构地震反应分析[J].水力发电学报,2004,23(5):40～43
[56]李正农,刘华,袁文阳,等.洺河渡槽抗震可靠度分析[J].中国农村水利水电,2000,(11):29～31
[57]李遇春,楼梦麟,尚伟,等.大型渡槽抗震分析中流体的位移有限元模式[J].水利学报,2003,2:93～97
[58]楼梦麟,王凤武,尚伟,等.渡槽抗震分析中土层影响问题的讨论[J].南水北调与水利科技,2005,3(5):34～37
[59]彭丽华,魏建国,尤红兵,等.大型渡槽结构振动特性分析[J].河北农业大学学报,2003,26(1):102～105
[60]魏建国,李红梅,刘爱军,等.洺河渡槽结构腖治鯷J].河北农业大学学报,2002,25(4):149～151
[61]胡兰.渡槽抗震分析[J].水利水电快报,2003,24(23):21～27
[62]张爱晖.渡槽结构在罕遇地震作用下的抗震性能分析[J].水利水电技术,2005,36(3):38～40
[63]王海波,张伯艳,周杰.南水北调工程的抗震安全性研究[J].南水北调与水利科技,2004,2(5):1～3
[64]张艳红,胡晓.大型渡槽隔震研究[J].水利学报,2005,36,(11):1307～1313
[65]张燎军.闸涵结构的抗震分析与设计[J].世界地震工程,2003,19(2):67～71
[66]强茂山,王兰涛.南水北调穿黄U形渡槽方案主要技术问题浅谈[J].水利水电技术,2005,36(4):50～52
[67]景天虎,万斌,冯家涛,等.汤峪河渡槽吊杆式拱架支承结构抗震性能分析[J].西北农林大学学报(自然科学版),2003,31(2):141～144
[68]廖泽球.大型核电站排水箱涵和交叉口渡槽的结构设计[J].电力建设,2001,22(8):24～27
[69]张永亮.大型渡槽结构振动特性分析研究[J].甘肃科技,2005,21(1):97～98
[70]包世华.结构动力学[M].武汉:武汉理工大学出版社
[71]邓平凡.ANSYS10.0有限元分析自学手册[M].北京:人民邮电出版社
[72]赵瑜,陈长胜,刘宪亮,等.东深供水工程矩形渡槽优化设计及受力分析[J].长江科学院院报,2002,19(5):31～37
[73]陈淮,祁冰,杜晓伟.大型双槽渡槽结构振动特性分析[J].世界地震工程,2001,17(1):93～97
[74]徐建国,李育文,王红卫.一种简支渡槽结构自振特性的研究方法[J].郑州轻工业学院学报(自然科学版),2001,16(4):20～22