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我国是一个水资源人均拥有量少,时空分布差异大的地震多发国,长距离大规模输水工程大部分处于不可避让的强震区,渡槽作为长距离输水工程中跨越沟壑、河谷的重要建筑物,其抗震安全研究是不能回避的重要问题。结合目前我国的“南水北调"工程,所以对渡槽结构的抗震研究有了更重要的现实意义。 由于我国水资源人均拥有量少,时空分布差异大,长距离大规模输水工程是不可避免的,而渡槽是实现长距离输水的重要建筑物。渡槽无论采用何种结构支承形式,都有顶部大重量、大跨度、槽体-土体-群桩一体的复杂系统的特点。所以对渡槽结构研究的重点与难点主要有以下几个部分:首先,在地震作用下水体的大幅度晃动以及水体与槽壁的动力相互作用所形成的强流体固体动力耦合问题;其次,由于地震动的不同位置,地震波传播过程中产生的反射、散射,衰减以及土质差异的存在所引起的地震波的空间变动问题;最后,地基并不是完全刚性的,结构基础底部的运动与自由场表面的反应有着明显的不同,槽体-桩体-土体三者是一个统一的有机整体,是相互联系、相互影响的。基此,本文结合以上三点对渡槽做了较为详细的研究,得出了一些结论,希望对渡槽的抗震研究提供一定的参考。 本文分析了流体、固体接触界面的运动状态,给出了粘性不可压缩流体与弹性体的控制方程与内界面边界条件,利用位移一致性和作用力平衡条件,推导了流体固体动力耦合有限元方程。并利用支撑与非支撑结构相分离的特性,探讨了多点地震输入的动力方程,为多点输入下的流体固体动力耦合分析打下了理论基础。借助ADINA分析程序对考虑行波效应的渡槽结构进行了三维地震响应分析。结果表明:当地震波速度越小,结构的地震响应就越大,所以当地质较软,地震波速较小时,建议考虑地震波空间变化这个特性。 提出了“速频=速度/频率/长度”这个无量纲参数,分别建立一跨、两跨渡槽模型,探讨“速频”与地震响应是否存在某种关系,结果发现:当“速频”逐渐减小时,地震响应随之不断增大,具有相同“速频”的不同工况,有着相近的地震响应。 本文还对考虑桩土相互作用下的渡槽结构进行了动力分析。根据桩土接触内界面上的运动状态,建立运动和动力边界条件,并且给出了桩土相互作用的控制方程。建立了刚性地基不耦合、刚性地基耦合、桩土地基不耦合、桩土地基耦合四种模型。分别对这四种模型进行了模态分析与动力时程分析,结果表明:在刚性地基下,耦合作用使得模型的各阶频率均有减小,而桩土基地下,模型的各阶频率几乎没有变化,但是桩土地基模型的周期要比刚性地基增大一个数量级,说明是柔性地基的介入使得整个体系刚度“弱化”,周期增大,当建筑物在软基上或当震中距较远时,可能使振动卓越频率与地面运动卓越频率接近,对结构而言是不安全的。时程分析结果表明:无论是在刚性地基下还是相互作用地基下,耦合作用使得整个结构的响应幅值均有所减小,说明水体的耦合作用对于结构有着保护作用,所以常规将水体作为静力荷载附加在槽身的模型是偏于安全的;对不考虑耦合的两个模型的地震响应表明,在整个过程中由于沉降,相互作用模型产生的位移比刚性地基要大很多,并且结构的应力、应变值比刚性地基也要稍大点,但是相差并不是很多;对考虑耦合的两个模型的地震响应比较表明:整个模型的沉降由于流体的作用很快达到稳定状态,而且整个过程中相互作用模型结构的应变与刚性地基的相一致,但是由于沉降原因产生的位移要比刚性地基大很多。 总的看来耦合作用使得结构的地震响应减弱,水体对结构有着保护作用;考虑桩土相互作用后,整个结构的应变与应力稍有增加,但是变化不大。由于沉降在竖向将会引起很大的位移,所以当地基较软或土质不均匀时,对于结构是不安全的。