考虑流固耦合的水工混凝土结构动力模型模态分析

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1、考虑流固耦合的水工混凝土结构动力模型模态分析[]：本文借鉴作用于刚性储液容器上液动压力的计算方法模拟晃动水体对于水工混凝土结构的作用力，建立大型预应力渡槽为例的流-固耦合空间动力分析模型；在此模型中，进行“渡槽槽体-晃动水体-三维预应力钢绞线”复杂动态结构体系的模拟研究；计算南水北调中线某渡槽四种工况下前四阶模态以及槽内水体、预应力钢绞线对结构动力特性的影响,为大型预应力渡槽流-固耦合动力分析开辟了一个新途径。　　[关键词]：渡槽；预应力；流固耦合；动力模型　　[]：O357.3[]：A[]　　Abstract：Thispaper

2、draicpressurecalculationmethodforsimulationofsloshingplethefluid-solidcouplingdynamicanalysismodel;inthismodel,"aqueduct-sloshingicsystemsimulationstudies,the"springprotonsystemsimulationofsloshingmingtoachievetheaccuratesimulationofprestressedsteelstrand;calculationo

3、fmiddlerouteofSouth-to-NorthingheAqueductunderfourodalandes,theprestressedsteelstrandeffectonthedynamiccharacteristics;themethodforlargeprestressedconcreteaqueductfluid-solidcouplingdynamicanalysisopensupaneicmodel;prestressingbars;fluid-structureinteraction;　　0引言　　在以

4、往的水工结构分析中，经常采用房屋建筑学中梁、柱和板壳等一维或二维构件作为设计中力学分析的依据，造成了较大的误差，这种误差有时甚至会造成结构的失效或材料的严重浪费。物理模型建立过程中，首先要解决的一个问题是如何最大限度的模拟结构本来的受力状态。　　1.1模型的建立　　本文所作举例为大型渡槽结构，其空间受力特性显著，在建模的前期工作中，考虑到预应力筋的施加及计算规模的限制，混凝土的模拟采用了一次六面体等参单元，钢筋采用空间杆单元模拟。渡槽为三向预应力结构，在渡槽的四面侧墙中设有弧形预应力钢绞线，底板及纵梁亦设有预应力筋，预应力对结构静

5、力及动力作用的影响不容忽视。如图(1-1)所示为根据某渡槽的实体模型模拟的有限元模型，从图中可以看出，该渡槽大体上是由纵梁、横梁、侧墙、底板组成，在底板与侧墙的交接部位设置倒角，以防应力集中现象产生。整体渡槽有限元X格划分完成后如图所示。　　　　图1-1洺河渡槽整体有限元模型　　Fig.1-1MingHeaqueductfiniteelementmodel　　在渡槽的整体结构分析中，预应力钢绞线起着关键作用，如何对预应力钢绞线进行精确模拟也是本文研究的一个重点。本文所采用的预应力模拟方法是初始应变法。该法保证在有预应力的位置具有一

6、个平面，从而在X格划分时，能保证在该平面有足够多的节点。最后通过编制程序自动将钢绞线单元施加于混凝土单元中间，再通过设置钢绞线单元(Link8)的实常数确定单元的初始应变，程序自动通过材料特性(E-ε)将初始应变转化为初始应力，从而完成预应力钢绞线的模拟。渡槽上部结构与支墩处采用的是盆式橡胶支座，弹性橡胶支座在力学分析中，本分采用实体单元块模拟弹性支座用于三维有限元分析进行模拟。　　1.2水模拟的研究　　水的模拟是本文计算成果成功与否的关键步骤，考虑流固耦合作用计算渡槽动力特性的方法大体上分为以下几种：附加质量法，Housner模

7、型，边界元法，ALE有限元法[1-5]。这几种计算方法的主要区别是分别采用不同的方法模拟水的作用。　　附加质量首先是由韦斯特伽德()提出的，常应用于水工模型试验中模拟水的动力学效应，此法还可应用于一般弹性结构的抗震分析。附加质量的形式虽各不相同，但均忽略了水体的压缩性和晃动作用，不仅反映了动水压力对结构的影响，而真正的耦合包括动水压力对结构变形的影响及结构变形对流体域的影响。因此，附加质量只是近似的处理方式，但由于附加质量法计算简便，所以其应用也最为广泛。　　Housner弹簧质量模型可近似计算复杂运动液体对固体产生的脉冲压力及对

8、流压力。对渡槽而言，根据Housner弹簧质量模型，脉动压力的作用可用固定于槽体的质量块来等效替代，而对流压力可看作是流体的奇数阶振动对槽体的作用力，等效质量与槽身侧壁的连接可看作是弹性连接，因此使流固耦合的复杂动力问题的计算得到了简化。此模型中流