考虑流固耦合的两种U形截面渡槽结构静动力分析

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在过流能力、施工简单、运行管理方面,渡槽比涵洞、倒虹吸等输水水工建筑物有明显的优点。因此,渡槽得到了相当广泛的应用,是南水北调工程中重要的水工建筑物。由于它的重要性、运行特点和所处的地区地震活动频繁性等因素,为了实现它的安全和经济的最优,我们必须探寻和发展符合渡槽受力特点的设计思想,即,使槽身成为同时具有挡水和承载能力的结构。为了实现这一点,渡槽截面形式的选择就非常重要。在此背景下,在已有研究成果的基础上,本文运用大型有限元软件ADINA,对沙河渡槽的两种U 形截面渡槽(底部加厚和不加厚)从静力计算、模态计算和动力计算三方面进行了比较分析,得出了两者在受力特性上的一些特点和区别,以供实际工程中运用。其中动力模型中考虑了流固耦合作用,采用势流体单元对水体进行模拟。主要工作大体上分为以下几点:   (1)根据论文分析任务的特点对渡槽有限元模型进行理论上的研究和实践上的尝试;根据实际工程受力特点确定模型单元、边界条件和受力条件等。(2)分别建立两种U 形截面形式(底部加厚和不加厚)渡槽的静力计算模型,均考虑了三种工况:水深0.0(空槽)、水深0.5(半槽水深)和水深1.0(设计水深)。由于后两种工况静力结果的相似性和篇幅限制,文中只给出前两种工况的结果。对两者从渡槽槽身整体结构和槽身特殊截面两方面进行静力结果对比分析,得出了两种U 形截面渡槽在静力情况下位移和应力的一些规律,如:底部加厚和不加厚两种截面形式的渡槽结构的竖向变形和应力分布规律大致是相似的,但底部加厚截面渡槽在其底部加厚部分外侧易出现某轴向(例如横向X)的拉应力,而底部不加厚截面渡槽则一般是压应力;水深对两截面渡槽的内力分布规律基本没什么影响,只是值大小不同;两截面形式渡槽底部纵向钢筋用量不同等。   (3)分别建立两种U 形截面形式渡槽的动力特性计算模型,均考虑了三种工况:水深0.0,水深0.5和水深1.0(设计水深)。对两者频率和振型进行了比较分析,从而得出两截面槽身自身特有的一些性质,如底部加厚截面渡槽的横向刚度比底部不加厚截面渡槽的大,这个特性使其能够耐受较大水深水体的影响;另外,对其频率和振型随水深的变化规律也进行了分析,得出了一些有益的结论,如两截面形式渡槽其各自的各阶频率随水深的增加基本均为逐步降低;不同水深对两种U 形截面渡槽的影响均表现在左右两槽横向反向弯曲振动上。   (4)在以上分析的基础上,分别建立两种U 形截面形式渡槽的动力响应计算模型,均考虑了三种工况:水深0.0,水深0.5和水深1.0(设计水深)。   对两种U 形截面渡槽槽身的一些关键点和特殊路径的动力响应进行了对比分析,得出了两者在地震荷载作用下的响应特性,并对动力特性分析中得出的一些结论进行了验证,例如:在横向地震激励下,两截面渡槽横向动力响应对水体深度的敏感程度是不同的;横向刚度和槽体质量差异对两种截面形式槽体横向位移的影响,哪个占主要地位随水深变化而有所不同;   底部加厚截面渡槽横向抗震能力较底部不加厚截面渡槽强。   最后,通过认真分析和总结作者在以上工作中发现有意义的规律,提出了个人看法,并指出论文中存在的不足,以及以后需要进一步研究的问题。  
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