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桩—土—渡槽—水相互作用动力特性.pdf

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第３０卷第１１期水电能源科学Ｖｏｌ．３０Ｎｏ．１１ ２０１２年１１月ＷａｔｅｒＲｅｓｏｕｒｃｅｓａｎｄＰｏｗｅｒＮｏｖ．２０１２ 文章编号：１０００－７７０９（２０１２）１１－０１０１－０４ 桩—土—渡槽—水相互作用动力特性分析 王博，申金虎，徐建国 （郑州大学水利与环境学院，河南郑州４５０００２） 摘要：目前，对渡槽抗震性能的研究多集中在槽身与水体的流固耦合问题上，对桩土间的动力相互作用则研 究较少，然而桩土相互作用会影响渡槽结构对动荷载尤其是地震荷载的反应。为探究桩土相互作用对渡槽结 构动力特性的影响，采用大型有限元软件ＡＢＡＱＵＳ对南水北调中线工程双洎河渡槽建立了同时考虑流固耦 合和桩土相互作用的桩—土—渡槽—水三维仿真力学模型，并进行了不同工况下的自振频率及振动模态分 析。结果表明，与固结模型相比，考虑桩土相互作用的渡槽结构在地震荷载作用下自振频率减小，桩土相互作 用改变了渡槽结构动力特性。 关键词：渡槽；桩土相互作用；流固耦合；模态分析；抗震 中图分类号：ＴＶ６７２＋．３；ＴＵ３１２文献标志码：Ａ 渡槽作为一种重要的水工建筑物，在南水北之间存在粘结力，因此接触面由闭合到出现间隙 调水利工程中被广泛采用。做好渡槽的抗震设前可承受一定的拉力ｐ，在拉力超过ｐ后，接 ｍａｘｍａｘ 计，对保护人民生命财产安全具有重大意义。对触面脱开，接触应力为０（图１）。当桩土接触面之 渡槽进行抗震分析时常假设地基为刚性，进而直间闭合时桩土之间可传递切向应力，当摩擦力小 接将渡槽墩底固结于地面上，然而实际情况是在 地震荷载作用下由桩土间相互作用引起上部结构 振动，刚性地基的处理方法过于简化，与实际情况 不符。因此在对渡槽进行抗震分析时，不应忽略 桩土间相互作用［１～３］，有必要将桩—土—渡槽— 水作为整体进行研究。鉴此，本文以南水北调中 图１接触压力示意图 线工程双洎河渡槽为例，采用大型有限元软件 Ｆｉｇ．１Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｃｏｎｔａｃｔｐｒｅｓｓｕｒｅ ＡＢＡＱＵＳ建立了桩—土—渡槽—水相互作用分 于极限剪应力τ时切向运动为０，桩土之间处于 析模型，并进行了不同工况下的自振频率及振动ｃｒｉｔ 粘结状态；当摩擦力大于极限剪应力τ之后，接 模态分析，以期为渡槽抗震设计提供参考。ｃｒｉｔ 触面便出现相对滑动（图２中实线部分），采用 １桩—土—渡槽—水相互作用分析 模型 １．１桩土接触分析模型 桩体为渡槽下部的主要结构，在地震荷载作 用下，地震动由桩传递给上部结构，因此合理建立 桩土模型十分必要。在分析桩与土相互作用时， 图２弹性滑移示意图 、 采用主从接触对算法将桩表面视为主接触面土Ｆｉｇ．２Ｓｃｈｅｍａｔｉｃｏｆｅｌａｓｔｉｃｓｌｉｐｄｅｆｏｒｍａｔｉｏｎ 体表面视为从接触面。桩土表面之间相互作用包Ｃｏｕｌｏｍｂ定律计算极限剪应力为［４］： 括法向作用和切向作用两方面。桩土表面被压紧τ＝ｐ（１） ｃｒｉｔμ 后，接触面之间存在法向接触应力ｐ，当两者接触式中，μ为摩擦系数。 面之间有间隙时法向应力为０。由于桩土接触面理想的摩擦行为在滑动变形前应无剪切变 收稿日期：２０１２－０４－０６，修回日期：２０１２－０５－０８ 基金项目：河南省重点科技攻关基金资助项目（１２２１０２２１００９１） 作者简介：王博（１９５６－），男，教授、博导，研究方向为水工结构抗震与防灾减灾，Ｅ－ｍａｉｌ：ｗｏｙｕｌｉｘｉｎ＠１６３．ｃｏｍ ·１０２·水电能源科学２０１２年 形，但由于桩土接触面粘结与滑移之间的不连续（槡１０ｈｎ） 熿ｃｏｓｈ－２燄 性极易导致模拟计算时收敛困难，因此ＡＢＡＱＵＳａ ｈ＝ｈ１－（７） ｎ槡１０ｈｎ 引入弹性滑移的概念，即在桩土表面粘结时允许ｓｉｎｈ（槡１０ｈｎ） ａａ 少量相对弹性滑动（允许的弹性滑动变形与接触燀燅 根据计算分析，取前５阶对流谐振力即可取 单元特征长度相比相对较小，约为０．５％），并利 得满意结果。 用罚摩擦公式计算罚刚度（图２中虚线部分）。 １．２流固耦合分析模型２实例 对渡槽进行抗震性能计算时，水体和槽体之 ２．１工程概况 间的相互作用为影响计算结果的重要因素之一。 双洎河渡槽为南水北调中线水利工程之一， 本文根据豪斯纳尔（Ｈｏｕｓｎｅｒ）理论，将水体与槽 当地基本烈度为７度，地震动加速度峰值为 体的相互作用简化为弹簧质量模型［５］，在横向地 ０．１ｇ。渡槽全长８００ｍ，单跨长３０ｍ，由于在各 震荷载作用下，水体和槽体的相互作用力包括脉 跨之间渡槽结构尺寸及受力形态相似，土层差异 动压力和对流压力。 亦不明显（表１），因此选用单跨来代替整体渡槽 （１）脉动压力。其所产生的作用力为： 结构进行分析。槽身沿水流方向取６０ｍ，墩两侧 ¨ｈ２（槡３ａ） Ｓ０＝２ρｘ（ｔ）ｔａｎｈ（２）各伸出１５ｍ。渡