帶自由面水體的結構地震反應分析方法及應用.pdf

1、工程中有許多結構含有大量的水體，如水塔、渡槽、水池、儲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構(在本文中簡稱含水結構)的動力反應是由地震激勵和水體晃蕩共同決定的。因此，含水結構的地震反應研究是涉及到工程結構抗震和計算流體動力學(CFD)等多個學科的交叉。 實際應用中，由于涉及到較為復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在結構上或采用一些簡化模型來模擬水體晃蕩對結構地震反應影響。然

2、而，大量的研究成果表明：將水體完全固結在結構上會夸大水體的地震壓力；而簡化模型只對某些特定水深和規(guī)則形狀的容器有效。 本文以實際工程為背景，針對本領域急需解決的幾個問題，采用理論分析、數(shù)字模擬、振動臺試驗相結合的研究方法，進行了以下幾方面的工作： (1)提出了應用計算流體動力學商業(yè)軟件模擬水體晃蕩的方法，并用數(shù)學實驗和模型試驗驗證了該方法的正確性。該方法可以考慮真實水體的粘性、湍流流動和水體表面的大變形，能模擬各種復雜形

3、狀的容器，是一種適合于結構工程研究人員的可準確模擬水體晃蕩的方法。 (2)對于帶有自由水面容器的結構，本文對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動力分析模型。在這兩個模型中，F(xiàn)LUENT軟件被用于計算水體晃蕩，用戶自編的C語言程序被用于分析結構運動，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構之間的數(shù)據(jù)。 (3)進行了懸掛水箱的振動臺模型試驗研究。由試驗得到水箱的位移和加速度時程曲線；

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

5、試驗和數(shù)值計算研究結果表明：用晃蕩水體等效質量代替水體質量來計算結構的自振周期是一種較準確可靠的方法。根據(jù)晃蕩水體等效質量的概念，推導出懸掛水箱擺動周期的簡化計算公式。比較簡化公式與CFD計算結果顯示二者吻合地很好。 (5)用本文所建的動力分析模型對一個帶有位置可改變的假底的海洋深水試驗池和一個橢球形水塔的地震反應進行了數(shù)值計算分析，分析結果顯示出水體晃蕩對含水結構的地震反應有較大的影響。另外，對影響含水結構地震反應的一些參數(shù)進