考虑桩--土接触及流--固耦合的水闸结构静动力分析
在水利工程中，水闸作为一种低水头水工建筑物，主要作用在于广泛应用于水资源调控、水位调节、蓄水灌溉等方面。在我国兴建的水闸分布范围较广，地震灾害发生情况下可能会产生构建的损坏致使影响其正常运行，严重情况下会使结构破坏从而引起次生水灾等连锁反应。水闸结构抗震表现主要体现在以下三个方面：其一，水体的存在致使地震作用下会产生静水压力和动水压力，尤其是动水压力地震作用下将对结构产生较大影响。其二，水闸各个方向刚度差异较大。其三，许多水闸都建设在软弱土基上，地震作用下的软弱土基存在明显的非线性特性，使得水闸与地基耦合分析问题非常复杂，动力分析计算具有较大难度，需要开展深入研究。 本文以于曹水闸实际工程为例，选取4#闸室为研究对象，考虑水体-结构-地基动力相互作用、桩土接触非线性问题，基于ANSYS大型有限元仿真软件建立了三维有限元仿真模型，进行了以下分析： (1)考虑流固耦合效应，采用不同水体耦合方式，分有水无水两种工况进行水闸体系整体结构自振特性的研究，发现无水工况下结构的自振频率大于有水工况下结构的自振频率。利用低频传感器现场采集水闸实测数据并运用CEEMDAN-SVD方法提取其固有工作频率，并与有限元计算结果进行对比分析，发现依据直接流固耦合理论建立的有限元模型计算结果与CEEMDAN-SVD的模态辨识结果吻合度更高，计算精度和模态辨识更好，能够更准确的反映水闸结构的工作特性。 (2)考虑桩-土-上部结构共同作用下分三种工况对水闸结构进行静力分析，得到桩土整体及结构的变形及应力变化规律。发现水闸蓄水期间沉降量大于无水期沉降量，最大沉降量发生在设计洪水位工况下，最大沉降量达到2.4mm，满足SL265-2016水闸设计规范8.3.6条规定的沉降量允许范围。闸墩与闸底板分别受水平水压力及水重作用，闸墩内侧与底板衔接处以及顺河向闸墩底部出现了应力值较大，其原因在于除受自重及其上部设备等荷载作用外，同时受水重及水平水压力的影响。 (3)选取合理的地震波，分别设置有水、无水两种工况及无质量地基模型和有质量地基考虑粘弹性人工边界和接触非线性下地基模型两种地基模拟方法两两结合进行地震动响应分析的过程中发现：1)结构内水体降低了水闸的固有频率，但地震响应增大。粘弹性边界模型计算得到的地震响应结果小于无质量地基模型计算结果，原因在于有质量地基考虑粘弹性人工边界和接触非线性下地基模型在地震计算中考虑了辐射阻尼效应和桩土接触非线性的影响。2)横河向地震响应最大，在水平地震作用下，横河向地震动是其关键性控制要素。3)最大位移出现在排架顶端，最大位移为5.1cm，最小位移出现在闸墩底部，底部位移仅为6.1mm，位移分布规律自上而下呈递减规律。4)最大主拉应力出现在框架结构与闸墩的交界处上部排架附近，最大主拉应力值为4.35MPa，框架与闸墩相交部位主拉应力为2.25MPa，闸墩部位主拉应力较小，平均在0.289MPa左右，未超过混凝土抗拉强度。研究成果可为后续豫北地区特有地质条件水闸结构地震响应分析提供参考。
水闸;振动特性;粘弹性边界;无质量地基;接触非线性
华北水利水电大学
硕士
土木工程
赵瑜
2020
中文
TV66
2020-12-14（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）