桩—土—渡槽结构相互作用的拟动力试验及计算研究

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在20世纪末,兴建跨流域调水工程已成为解决我国水资源分布不均匀问题的重要手段,对我国国民经济的发展有着重要意义。随着我国南水北调工程的开工建设,大流量、大跨度渡槽结构不断涌现。大型渡槽结构的抗震问题已成为工程抗震领域研究热点之一。大型渡槽结构抗震计算方法的研究有着重要的意义,不仅能满足南水北调工程中大型渡槽结构抗震设计的需要,也能为建立渡槽结构抗震设计理论和方法提供参考资料。本文主要对渡槽结构横槽向地震响应规律、渡槽结构横槽向抗震计算模型、槽墩高度对渡槽结构横槽向动力特性及横槽向地震响应的影响规律进行了研究。本文的主要研究工作及成果如下:(1)开展了渡槽结构原理性的多自由度子结构拟动力模型试验。通过渡槽结构拟动力模型试验对土-桩-渡槽结构-水体动力相互作用体系的横槽向地震响应规律进行了研究,试验结果表明:在输入地震波峰值加速度相同时,渡槽结构在不同试验地震波作用下的横槽向地震响应峰值存在较大差异;槽内水体与渡槽结构的流-固耦合动力相互作用可能减小也可能增大渡槽结构横槽向地震响应峰值,其影响规律主要与水体对渡槽结构调频作用大小和水体动水压力两种因素有关;随着输入地震波峰值加速度的增大,底部桩周附近土体塑性发展使得试验模型的刚度等特性发生变化,从而使得渡槽结构横槽向地震响应时程曲线波形及其峰值大小表现出明显差别。(2)建立了拟动力试验模型的整体有限元仿真计算模型,对拟动力试验模型横槽向地震响应进行了仿真计算,并与试验结果进行了比较,结果表明本文建立的拟动力试验模型整体有限元仿真计算模型能够估算拟动力试验模型的横槽向地震响应,并能够较好地反映槽内水体对试验模型横槽向地震响应的影响。同时,本文另外建立了两种试验模型的整体有限元计算模型,分别对拟动力模型试验中所没有考虑的土层运动和土体的计算范围取值大小对渡槽结构横槽向地震响应的影响进行研究,结果表明:采用拟动力试验方法能够较好地得到渡槽结构横槽向地震响应规律,获得的渡槽结构横槽向地震响应峰值误差比较小。(3)建立了拟动力试验模型简化有限元仿真计算模型,对渡槽结构横槽向地震响应进行了仿真计算,并与试验结果进行了比较,结果表明本文建立的简化有限元仿真计算模型能够近似地估算试验模型的横槽向地震响应,并能够较好地反映槽内水体对试验模型横槽向地震响应的影响。同时,通过对简化有限元仿真计算模型地震自由场输入和地震惯性力输入计算结果的比较可知:两者的横槽向地震响应峰值大小有一些差别,但仍能够较好地反映试验模型横槽向地震响应规律。另外,通过对简化有限元仿真计算模型地震自由场输入计算结果与拟动力试验模型整体有限元模型三计算结果的比较可知:两者得到的渡槽结构横槽向地震响应在波形、峰值大小及其频谱特性上有一定差别,但两者反映的渡槽结构横槽向地震响应规律是一致的。(4)以Housner弹簧-质量简化模型及土-桩非线性动力Winkler地基梁简化模型为基础,建立了一种可以同时考虑流-固耦合动力相互作用与土-桩非线性动力相互作用的渡槽结构横槽向抗震简化计算模型,对拟动力试验模型横槽向地震响应进行了仿真计算,结果表明该模型能够近似地估算试验模型的横槽向地震响应,并能够较好地反映槽内水体对试验模型横槽向地震响应的影响。同时,通过对自由场输入和地震惯性力输入计算结果的比较可知:两者的横槽向地震响应峰值大小有一些差别,但仍能够较好地反映试验模型横槽向地震响应规律。另外,通过对该模型与整体有限元模型三计算结果的比较可知:两者得到的渡槽结构横槽向地震响应在波形、峰值大小及其频谱特性上有一定差别,但两者反映的渡槽结构横槽向地震响应规律是一致的。(5)在假定槽墩截面和其他参数基本不变条件下,应用本文建立的渡槽结构整体有限元计算模型、渡槽结构简化有限元计算模型和渡槽结构横槽向抗震简化计算模型三种计算模型,开展了槽墩高度对矩形渡槽结构横槽向动力特性及横槽向地震响应影响规律的计算分析研究。结果表明:随着槽墩高度的增加,渡槽结构横槽向振动基频呈现明显减小趋势,渡槽结构关键部位的动力响应峰值等也存在递减趋势。最后,讨论了今后将进一步深入研究的问题。
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