帶自由面水體的結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)分析方法及應(yīng)用.pdf

1、工程中有許多結(jié)構(gòu)含有大量的水體，如水塔、渡槽、水池、儲(chǔ)液罐以及帶有較大水箱的建筑物等。地震作用下，這些帶有自由表面水體的結(jié)構(gòu)(在本文中簡(jiǎn)稱含水結(jié)構(gòu))的動(dòng)力反應(yīng)是由地震激勵(lì)和水體晃蕩共同決定的。因此，含水結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)研究是涉及到工程結(jié)構(gòu)抗震和計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)(CFD)等多個(gè)學(xué)科的交叉。 實(shí)際應(yīng)用中，由于涉及到較為復(fù)雜并且很難精確模擬的水體晃蕩問題，目前一是將水體完全固結(jié)在結(jié)構(gòu)上或采用一些簡(jiǎn)化模型來模擬水體晃蕩對(duì)結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)影響。然

2、而，大量的研究成果表明：將水體完全固結(jié)在結(jié)構(gòu)上會(huì)夸大水體的地震壓力；而簡(jiǎn)化模型只對(duì)某些特定水深和規(guī)則形狀的容器有效。 本文以實(shí)際工程為背景，針對(duì)本領(lǐng)域急需解決的幾個(gè)問題，采用理論分析、數(shù)字模擬、振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，進(jìn)行了以下幾方面的工作： (1)提出了應(yīng)用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)商業(yè)軟件模擬水體晃蕩的方法，并用數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)和模型試驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的正確性。該方法可以考慮真實(shí)水體的粘性、湍流流動(dòng)和水體表面的大變形，能模擬各種復(fù)雜形

3、狀的容器，是一種適合于結(jié)構(gòu)工程研究人員的可準(zhǔn)確模擬水體晃蕩的方法。 (2)對(duì)于帶有自由水面容器的結(jié)構(gòu)，本文對(duì)容器固定在樓層上和懸掛于樓層下的情況分布建立了兩個(gè)動(dòng)力分析模型。在這兩個(gè)模型中，F(xiàn)LUENT軟件被用于計(jì)算水體晃蕩，用戶自編的C語言程序被用于分析結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，F(xiàn)LUENT軟件提供的用戶自定義函數(shù)(UDF)被用于傳遞水體與結(jié)構(gòu)之間的數(shù)據(jù)。 (3)進(jìn)行了懸掛水箱的振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)研究。由試驗(yàn)得到水箱的位移和加速度時(shí)程曲線；

4、運(yùn)用所建立的動(dòng)力分析模型模擬計(jì)算水箱的運(yùn)動(dòng)并得到了數(shù)值模擬的位移和加速度時(shí)程曲線。經(jīng)比較，模型數(shù)值計(jì)算得到的結(jié)果與實(shí)測(cè)的結(jié)果吻合較好，從而驗(yàn)證該分析模型的正確性。 (4)通過研究改變水體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)與改變同質(zhì)量的固體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所需作用力的關(guān)系，提出了晃蕩水體等效質(zhì)量的概念。研究表明：晃蕩水體等效質(zhì)量是水體改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)的一種特有屬性，它僅與水體所在容器的形狀和水體的液面高度有關(guān)，與所受作用力的大小和改變運(yùn)動(dòng)狀態(tài)所用的時(shí)間長短無關(guān)。模型

5、試驗(yàn)和數(shù)值計(jì)算研究結(jié)果表明：用晃蕩水體等效質(zhì)量代替水體質(zhì)量來計(jì)算結(jié)構(gòu)的自振周期是一種較準(zhǔn)確可靠的方法。根據(jù)晃蕩水體等效質(zhì)量的概念，推導(dǎo)出懸掛水箱擺動(dòng)周期的簡(jiǎn)化計(jì)算公式。比較簡(jiǎn)化公式與CFD計(jì)算結(jié)果顯示二者吻合地很好。 (5)用本文所建的動(dòng)力分析模型對(duì)一個(gè)帶有位置可改變的假底的海洋深水試驗(yàn)池和一個(gè)橢球形水塔的地震反應(yīng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算分析，分析結(jié)果顯示出水體晃蕩對(duì)含水結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)有較大的影響。另外，對(duì)影響含水結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)的一些參數(shù)進(jìn)