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高耸分层取水结构动响应特性及叠梁闸门振动研究

作　者: 黄虎
导　师: 张社荣
学　校: 天津大学
专　业: 水工结构工程
关键词: 进水塔流固耦合破坏模式碰撞分析脉动水压力 S-变换流激振动
分类号: TV312
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

进水口是水电站的重要组成部分,其安全性直接影响到水电站运行和发电效益。在运行期间,塔式进水口结构大部分位于水下,且多为高耸、单薄的箱式或筒式结构。地震发生时,结构和水体之间的相互作用;进水塔在地震作用的裂缝状态;高坝大库的进水塔群塔体之间的相互作用;作用于闸门的脉动压力;闸门的流激振动等都是值得关注的问题。本文对进水塔和水体的相互作用、进水塔在地震作用下裂缝的出现和发展方式、整体进水塔群塔段间的相互作用、叠梁闸门的脉动压力及闸门振动问题进行了系统的研究。研究成果对大型水电站进水塔结构优化设计和稳定运行具有重要的参考价值。主要成果如下:采用流固耦合理论研究塔体结构自振特性和地震作用下的动力响应,分析塔体与水体的相互耦合作用。对于水下高耸进水塔结构,水体与其流固耦合作用明显,采用强流固耦合方法比常规方法更能表现流体和固体的相互作用;并给出流固耦合作用下进水塔体表面的动水压力分布特征。根据当前有限元的计算特点,提出混凝土结构的破坏判断方法;在此基础上对分层取水进水塔结构进行地震荷载作用下塔体裂缝开展方式和破坏模式的研究,得出进水塔在地震过程中的破坏规律。对于大跨度的进水塔群而言,考虑地震的行波效应对结构响应存在一定的影响,尤其对于塔段之间的相互作用影响较大。根据计算结果,各塔段间发生较明显的挤压碰撞现象;塔段间的相互作用受地震波速影响较大。采用Matlab自编S-变换程序对脉动压力信号进行时频转换分析,根据时域和频域的相互关系说明了水脉动压力的振幅和相位的分布特征;通过闸门自振特性和脉动压力的优势频率和能量分布特点,对闸门和脉动压力共同存在条件下出现共振的可能性做出了相应评价。采用有限元方法进行数值仿真分析。根据水弹性模型试验结果,利用随机振动功率谱法进行闸门结构的流激振动分析,求解闸门在水脉动压强下的随机动力响应,评价叠梁闸门在流激荷载作用下的响应特征。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-9
第一章绪论  9-21
  1.1 研究背景及问题的提出  9-10
  1.2 国内外研究进展和现状  10-17
    1.2.1 分层取水研究现状  10-12
    1.2.2 流固耦合研究现状  12-14
    1.2.3 进水口结构研究现状  14-15
    1.2.4 闸门振动及脉动压力研究现状  15-17
  1.3 本文主要工作  17-19
    1.3.1 研究目的  17-18
    1.3.2 主要工作  18-19
  1.4 本文的创新点  19-21
第二章取水口塔体结构动力研究  21-47
  2.1 流体-结构的相互作用  21-25
    2.1.1 动水压力附加质量  21-22
    2.1.2 Housner弹簧质量模型  22-24
    2.1.3 流固耦合方法  24-25
  2.2 流固耦合振动理论  25-34
    2.2.1 流体力学基本方程  25-29
    2.2.2 流固耦合控制方程  29-34
  2.3 基于流固耦合理论的进水塔结构动力分析  34-46
    2.3.1 工程背景  35-37
    2.3.2 计算模型  37
    2.3.3 结构动力特性分析  37-40
    2.3.4 动力计算分析  40-46
  2.4 本章小结  46-47
第三章地震作用下取水口结构的破坏模式研究  47-63
  3.1 塔式取水口的结构特点  47-48
  3.2 计算理论及研究方法  48-55
    3.2.1 进水塔地震破坏数值模拟研究  48-53
    3.2.2 塔体结构破坏准则  53-55
  3.3 塔体的破坏模式研究  55-62
    3.3.1 裂缝分布  56-59
    3.3.2 破坏过程分析  59-61
    3.3.3 抗震极限承载能力分析  61-62
  3.4 本章小结  62-63
第四章考虑地震行波效应的进水塔群响应分析及碰撞研究  63-80
  4.1 基于行波法结构振动反应的基本方程  63-66
  4.2 动摩擦接触问题描述  66-68
  4.3 地震波输入及边界条件  68-73
    4.3.1 地震波选取  68-71
    4.3.2 地震动输入方式  71-72
    4.3.3 边界条件  72-73
  4.4 数值计算结果及分析  73-78
    4.4.1 塔体位移  73-76
    4.4.2 塔体应力  76
    4.4.3 塔段接触特性  76-77
    4.4.4 塔段碰撞分析  77-78
  4.5 本章小结  78-80
第五章分层取水叠梁闸门脉动压力研究  80-97
  5.1 叠梁闸门结构流固耦合振动特性研究  81-84
    5.1.1 流固耦合对闸门自振特性的影响  81-83
    5.1.2 水体范围对闸门自振特性的影响  83-84
  5.2 脉动压力试验及结果  84-86
    5.2.1 模型基本资料及测点布置  84-85
    5.2.2 试验方案  85
    5.2.3 试验结果  85-86
  5.3 S-变换方法  86-88
  5.4 S-变换在水脉动压力处理中的应用  88-94
    5.4.1 基于S-变换的脉动压力信号频率分析  88-91
    5.4.2 基于S-变换的脉动压力信号相位分析  91-94
  5.5 脉动压力与结构振动特性分析  94-95
  5.6 本章小结  95-97
第六章叠梁闸门的流激振动数值分析  97-117
  6.1 平面闸门振动的激励机理  97-99
  6.2 随机振动分析  99-107
    6.2.1 随机振动理论简介  99-101
    6.2.2 脉动压力的频谱分析方法  101-102
    6.2.3 随机振动分析方法  102-107
  6.3 叠梁闸门的流激振动计算  107-116
    6.3.1 计算荷载  107-108
    6.3.2 方案一计算结果  108-110
    6.3.3 方案二计算结果  110-113
    6.3.4 方案三计算结果  113-116
  6.4 本章小结  116-117
第七章总结与展望  117-120
  7.1 总结  117-119
  7.2 展望  119-120
参考文献  120-130
发表论文和参加科研情况说明  130-131
致谢  131

高耸分层取水结构动响应特性及叠梁闸门振动研究

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