大型倒虹吸水工結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)分析.pdf

1、我國的水資源十分豐富，但分配極不均勻，通過大型調(diào)水工程實現(xiàn)跨流域的水資源重新分配則顯得尤為重要。南水北調(diào)工程是目前在建的最大調(diào)水工程，它能有效緩解我國北方水資源嚴(yán)重短缺問題，而大型倒虹吸結(jié)構(gòu)作為一種立交水工建筑物廣泛應(yīng)用于該調(diào)水工程，且以渠道倒虹吸居多。倒虹吸結(jié)構(gòu)分布跨度大，致使其中很多結(jié)構(gòu)都處于高發(fā)地震區(qū)域，保證這些倒虹吸結(jié)構(gòu)在未來可能遭遇的地震中安全可靠地運行直接決定著南水北調(diào)工程的巨大經(jīng)濟(jì)社會效益。
　　我國作為一個地震多發(fā)

2、國家，加之很多渠道倒虹吸結(jié)構(gòu)身處地震高發(fā)區(qū)域，這些結(jié)構(gòu)極易遭遇近、遠(yuǎn)場地震動作用。其中近場地震動伴隨有速度和位移脈沖，這種脈沖效應(yīng)能使結(jié)構(gòu)承受高能量的沖擊作用，引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大的內(nèi)力、變形及位移；而遠(yuǎn)場地震動具有豐富的長周期分量，這些長周期部分很可能與大型渠道倒虹吸結(jié)構(gòu)的管-土整體結(jié)構(gòu)體系自震周期相近或一致，由此形成結(jié)構(gòu)的共振或者類共振現(xiàn)象，從而嚴(yán)重破壞結(jié)構(gòu)。
　　本文依托南水北調(diào)工程建設(shè)背景，選取工程中的大型渠道倒虹吸作為研究對

3、象。根據(jù)土-結(jié)構(gòu)動力相互作用原理，并考慮到管道內(nèi)動水作用的影響，應(yīng)用大型有限元分析軟件ANSYS建立管-土-水體整體模型，由此并分析計算渠道倒虹吸結(jié)構(gòu)在近、遠(yuǎn)場兩種不同頻譜特性地震動作用下的動力響應(yīng)。文中將渠道倒虹吸結(jié)構(gòu)拆分為成水平管身段和進(jìn)口漸變段兩個部分進(jìn)行建模研究，分別創(chuàng)建了水平管身段二維、三維模型以及進(jìn)口漸變段三維模型進(jìn)行動力響應(yīng)分析，計算研究結(jié)果主要表明：
　　（1）管內(nèi)水體能有效地降低管-土結(jié)構(gòu)體系各階振型的幅值，且過

4、水孔道越多，管-土體系自振幅值越小；
　?。?）在本研究設(shè)定的近、遠(yuǎn)地震動作用下，結(jié)構(gòu)在水平向均會產(chǎn)生了較大的絕對位移量，容易造成管道接口的錯動破壞；另外，在近場地震動中豎向地震分量也明顯引起結(jié)構(gòu)豎向產(chǎn)生較大絕對位移量，因而在近場地震動分析中，考慮豎向地震動十分必要。
　　（3）在本研究設(shè)定的近、遠(yuǎn)場地震動作用下，倒虹吸結(jié)構(gòu)各個模型動力計算的拉、壓應(yīng)力極值均未達(dá)到結(jié)構(gòu)的抗拉、抗壓強(qiáng)度水平，結(jié)構(gòu)不會出現(xiàn)拉、壓應(yīng)力破壞；但進(jìn)口漸

5、變段三維模型動力計算產(chǎn)生了1MPa以上的最大拉，該值與結(jié)構(gòu)2.05MPa抗拉強(qiáng)度水平數(shù)量級相當(dāng)，會使結(jié)構(gòu)產(chǎn)生拉應(yīng)力損傷，比如拉裂縫。
　?。?）在本研究設(shè)定的近、遠(yuǎn)場地震作用下，動力分析中所作的位移、應(yīng)力時程曲線都存在突跳現(xiàn)象，尤其在遠(yuǎn)場地震動作用下三維水平管身段模型的應(yīng)力曲線中突跳更為明顯。這種位移、應(yīng)力突跳現(xiàn)象與近場地震動的脈沖作用，遠(yuǎn)場地震動引起結(jié)構(gòu)的短暫共振現(xiàn)象不無相關(guān)性，另外嚴(yán)重的驟升驟降突調(diào)現(xiàn)象對結(jié)構(gòu)破壞作用較大。