考虑行波效应时冷却塔结构的地震响应分析

发布时间：2020-06-06 10:27

【摘要】：普通建筑物在进行地震反应分析时,常用的方法是将下部地基视作刚体,并忽略地震波实际传导至各个支承点处的时间差问题,采用一致激励的地震动输入方法,但是冷却塔作为大跨度结构,直接采用刚性地基假设是不够合理的。近年来,随着国家用电需求的增加,作为火力发电厂重要降温装置的冷却塔,其规模与体量也在不断加大,大部分是高度超过200m的超大型构筑物,底部直径可达到180m以上,建设地点多位于内陆地区的南北地震带上,地震危险性高,场地条件复杂,在这样的情况下,考虑土-结构相互作用以及多点激励输入方式就成为了不可回避的问题。围绕这些问题,本文采用了有限元数值模拟分析方法,根据弹性波动理论,通过等效荷载法建立了输入地震动的粘弹性人工边界,对大型冷却塔结构行波效应、土-结相互作用等问题进行了研究,主要内容及成果有以下几个方面:1)研究了地基的刚度变化对冷却塔结构动力特性的影响。以工程实例为背景建立了Ⅱ类场地条件下的刚性地基模型与土-结相互作用模型,分别取前500阶振型,观察其变化规律。结果表明,冷却塔结构自振频率分布十分密集,自振频率低,周期长,整体振型数量少且出现较晚,土-结相互作用模型与刚性地基模型规律基本一致,但自振频率更小,自振周期延长,整体振型的出现提前。2)通过对比8度多遇罕遇地震下刚性地基模型与考虑行波效应模型的响应差异,发现两种工况下水平向的最大值都是在下支柱顶部出现,响应幅值在支柱上沿高度逐渐增大,塔筒上沿高度逐渐减小,一致激励下塔筒环向各点的幅值变化小,呈整体平动特点,与刚性模型相比,结构受到行波效应的影响后,水平地震作用随视波速的减小而减小,竖直地震作用随视波速的减小而增大,当视波速增大,地基达到一定刚度时,多点激励下的地震动输入与刚性一致激励的结果相差不大,此时可以不考虑行波效应对结构的影响。3)对比分析了冷却塔结构在刚性地基、行波效应、综合考虑土结相互作用及行波效应三种工况下结构的地震动响应后发现,考虑土-结相互作用时,在塔筒部分的响应幅值会随高度上升先减小后增大,说明它对塔顶部位的地震作用有放大效果,所以在考虑土-结相互作用时,结构的薄弱部位位于塔顶。4)相较于刚性一致激励模型环向幅值变化小的特点,考虑行波效应后,环向波动幅度更明显,考虑了土-结动力相互作用后,波动变平缓且整体动力响应大幅降低。考虑了土体的弹性作用后,结构响应远小于刚性模型,略小于只考虑行波效应的模型,说明地基土刚度越大,地震作用越大,相互作用模型下部弹性土体在结构底部起隔振作用,大大减弱了地震响应,由于刚性地基模型与考虑土-结相互作用的模型地震响应差异明显,冷却塔这样的大跨度结构,不应忽略土-结构动力相互作用。
【图文】：

土-结构,动力分析

图 2-1 土-结构动力分析方法的分类Fig.2-1 Classification of soil-structure dynamic analysis methods其中，子结构法和整体法是土-结相互作用问题当中应用最广泛的方法[32]，但是在30]中，这两种方法被证明是等价的，所以下面只对子结构法进行介绍。3 子结构法分析一个系统的土-结相互作用的动力问题时，，从一开始就完整地考虑整个体系的相用是非常复杂的，为了在研究中，既能够考虑它们的主要作用效应，又较为简便直般会把土-结相互作用的问题看作两种作用的叠加效应，一种是运动相互作用，一惯性相互作用。其中，运动相互作用包含的是桩、土在地震波作用下产生的运动的，惯性相互作用反映的是上部结构存在的质量所带来的惯性力的作用[32]。子结构法就是将整个系统自上部结构与地基的接触面处划分为两个子结构，每个子可以采用不同或相同的数值模型进行计算，计算机计算时，会根据节点位置，将这子结构划分为更多的子结构，在它们的分界面上，根据协调条件，从上至下逐个进度和载荷的凝聚，直至最终，将这个结构的刚度和载荷全部凝聚在基础部分上，这

动力刚度矩阵,参考系,土体,离散方程

图 2-3 土体不同参考系的动力刚度矩阵Fig.2-3 Dynamic stiffness matrix of different reference systems of soil易求得，还是要转而利用自由场与开挖后土体的关系，在计算动原则加以利用，即：, - = 体为结构体，对照式(2-4)，其中, - = ，, - = , -，* +{ }(, - ) = { } (2-7)可得： { } = { } 式(2-5)得出运动离散方程： , - , -, - , - ( )( ) = * + { }
【学位授予单位】：西安理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TU311.3

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