文摘

作为一种常见的输水结构、渡槽广泛用于跨地区输水和娱乐项目。然而,大型双槽渡槽结构地震下容易损坏,导致漏水,甚至中断,危害人民生命和财产安全的周边地区。摘要非线性钢筋混泥土材料是基于FORTRAN语言编制程序。以双鸡河渡槽工程为例,数值模型的双槽渡槽结构的纤维梁单元,建立了非线性动态时程响应分析,不同的地面运动输入。基于跨中位移和加速度随时间的变化,墩底弯矩和剪切力时间历史,大型渡槽结构的非线性响应规律进行了研究。一个标准确定的整体崩溃渡槽结构提出了基于有效的能源。非线性数值模型的正确性和可行性的渡槽结构和动态灾难分析方法验证了关注的整体地震反应渡槽结构和关键零部件的材料屈服状态,和比较崩溃标准限值的基础上墩顶位移角。地震分析的结论将提供一个基础,优化设计,操作和维护大型渡槽结构的安全评估具有重要的理论意义和工程应用价值。

1。介绍

大型渡槽结构,运送水的重要结构在复杂的地形,已经广泛应用于南水北调工程。许多大型钢筋混泥土渡槽结构已经或将建在high-seismic-intensity地区,和一些地区的抗震设防烈度高达9°。强烈地震的作用下,大型钢筋混泥土渡槽结构容易损坏和破坏。此外,各种问题发生,如短期集中排放的水从水中传输线,postearthquake修复困难,和当地的次生灾害1,2]。因此,研究大型双通道渡槽结构在地震下的非线性响应是迫切需要的。

目前,钢筋混泥土渡槽结构的地震反应主要是通过实验研究或使用有限元软件数值模拟。李等人。3使用有限元软件ANSYS,通过建立数学模型考虑流体和结构之间的相互作用,和时间的历史和反应谱计算渡槽结构地震效应。一些作者研究soil-aqueduct-water耦合的影响,通过数值分析渡槽的横向通道结构和执行结构模型的拟动力试验。结果表明,水条件可以扮演一个角色在减震4- - - - - -6]。王等人。7,8)建立了一个动态分析模型梁的部分元素考虑渡槽的膨胀接头的影响效应,并讨论了影响碰撞的膨胀接头相邻渡槽在渡槽结构地震作用下的地震反应的纵向通道。王等人。9]研究了动态渡槽和水体之间的交互通过规模测试使用摇表模型。以上研究探讨了渡槽结构的抗震性能及其影响因素从不同方面提供了一个重要的参考渡槽结构的抗震设计和评价。然而,大多数研究数值模拟使用线弹性模型,没有考虑钢筋混泥土材料的非线性,并仍有很大的差距的理论分析结果和实际情况,和固体元素常见数值模拟计算时间和高成本。本文使用有限元分析编制钢筋混泥土材料子程序适用于渡槽结构,建立了大型双槽渡槽结构的数值模型提炼纤维梁元素,和渡槽结构的非线性反应分析方法在地震研究。

近年来,一些研究人员也进行了卓有成效的研究渡槽结构的抗震可靠性分析。Zhang et al。10,11)研究的可靠性输水渡槽结构的函数通过生理反应结构在地震的作用下。马等。12]建立了渡槽系统的可靠性分析模型基础上的主要失效模式和综合相关系数方法,讨论了系统可靠性的multiside墙桩和梁明禾渡槽。然而,研究渡槽结构的非线性分析和判断标准的总体结构失败的强烈地震作用下相对不足。应变局部化和尺寸效应等关键问题在传统的渡槽结构地震损伤分析没有得到有效地解决,这阻碍了当前对渡槽结构抗震研究的发展。事实上,渡槽结构的非线性反应分析通常是指研究桥梁结构的地震响应的结果。誓言报和意大利广播电视公司13)进行了抗震性能研究的动静力steel-supported简支梁梁桥。four-span桥梁的地震反应分析模型表明,主桥钢的失败支持桥失败的主要原因;李等人。14]研究连续梁桥结构的动态响应在强震下,设计和制作了双跨度连续梁桥规模模型,认为不同类型的支持,选择四种类型的地震波反射不同站点的土壤特性和扩展模型的地震模拟振动台阵试验桥在不同地震动输入下的测试。倒闭以来,一个统一的标准尚未形成,一个简化的崩溃标准是常用的宏观物理量,并很难确定临界极限状态的整体结构倒塌数值或为一个特定的组件实验分析。此外,由于其“头重脚轻”结构,渡槽结构相比具有许多特殊功能与普通桥梁结构的工作模式。灾难性地震的作用下崩溃的过程往往是极其复杂。因此,本文基于建立完善数值模型考虑材料非线性深入讨论了大型双槽渡槽结构的失效机理在灾难性的地震。从有效的角度特征能量有效的输入能量,material-unit-structure多尺度渡槽结构崩溃则提出,和精致的分析方法对大型渡槽结构的整个过程动态建立灾难。

2。纤维梁理论

三维固体元素模型和纤维梁单元模型主要用于钢筋混泥土梁和柱的数值分析。近年来,人们已经发现,纤维梁元素可以反映出典型的非线性力学行为的钢筋混泥土结构与少量的元素(15]。纤维梁单元模型如图1;即构建截面分为几种纤维部分沿杆的长度。基于平截面假定的力和变形之间的关系对整个部分的成员可以根据计算单轴应力-应变关系(见部分4对材料的循环应力-应变关系)对应于每个纤维(16]。

模型基于以下假设:(1)纤维的变形部分满足飞机的假设部分,和所有纤维的应变部分可以获得只有通过确定应变和曲率的中间部分。(2)强化纤维和混凝土纤维之间的滑移是忽视,和部分剪切和扭转变形的影响被忽略。(3)每个纤维材料满足单轴应力-应变本构关系。

在这个模型中,元素分成几个组成部分,和积分点的横向力17)是通过一个线性插值方法。所示的线性插值函数如下:

横截面的挠度矩阵集成沿着轴向方向成员获取元素的柔度矩阵,如下:

横截面的不平衡力向量转化为残余变形,和元素的变形增量在下一次迭代中获得通过整合沿轴向方向的成员如下:

显示了部分刚度矩阵如下:

薄壁纤维梁单元的刚度矩阵的渡槽薄壁结构在模型中充分考虑。横向弯曲和扭转的耦合振动和弯曲变形的渡槽薄壁结构充分考虑。渡槽的变形部分满足平截面的假设。钢筋和混凝土单轴应力状态的纤维。弹性和塑性混凝土和钢筋的拉伸本构模型硬化重复载荷作用下的本构模型采用。因为翘曲变形影响渡槽薄壁结构的整体变形较大,单位内的变形在任何时候获得通过引入翘曲函数 的位移,如下: 在哪里 , , 表示三个方向的线性位移函数; , , 角位移函数; , , 是角速度。

当渡槽结构开始进行弹塑性变形和大排量变形、材料非线性和几何非线性的影响的刚度矩阵。应变矩阵如下: 在哪里和是总应变矩阵和线性microdisplacement应变矩阵,然后呢是一个几何非线性应变矩阵。纤维梁段的刚度矩阵元素的渡槽薄壁结构模型考虑几何非线性变形如下:

3所示。基于能源结构动态测定标准崩溃

许多研究表明结构的失效模式和破产机制的崩溃过程是极其复杂的18),他们中的大多数是由许多因素的综合作用引起的。很难准确地评估结构的非线性行为崩溃灾难性的地震载荷下使用单一macrostructural响应参数。

结构在地震下的反应实际上是一个过程的能量输入,转换和消费。一般multidegree-of-freedom动态系统的运动方程如下: 在哪里系统的质量矩阵,系统的阻尼矩阵,是回复力向量,是外部激励向量, , ,和 ,分别是加速度、速度和位移向量的节点。

相乘得到的能量平衡方程双方在同一时间和积分0到t时间:

其中, 代表系统的动能t;代表累积塑料中能源消耗 期;代表了变形系统的能量;代表了总能量输入时从外面 在结构的非线性分析;可以通过集成单元的应变能的身体在该地区的结构:

其中,应力张量,应变张量,代表所有需要解决的领域。

时间的总应变t分解为弹性部分和塑料部分 ,然后 在哪里代表系统的弹性变形能,代表了塑性变形系统的能量。

动态临界崩溃状态判据的基础上有效的内在能量和有效的输入能量的结构,提出了文献[19,20.]。

有效的内在能量的定义如下:

有效的输入能量的定义如下: 在哪里系统的动能,是系统的弹性变形能量。整个结构体系的崩溃的标准如下:

因此,决定了结构的临界状态的功能崩溃可以定义如下: 当 对所有 ,保持动态稳定结构。结构倒塌时 。

4所示。材料本构关系

4.1。钢筋加固

钢筋本构模型提出在文献[21,22]本文采用(如图2)。钢铁骨架线由两部分组成:办公自动化(弹性部分)AB(加强部分)。在办公自动化节中,弹性模量 ,和钢筋的屈服被忽略。进入AB部分时,刚度系数是0.01。卸载时最大应变点开始是达到了。

4.2。混凝土本构关系

为了更好地模拟材料失败行为的大型渡槽结构在强震下,混凝土本构模型(23,24]本文考虑抗拉强度被选中(如图3)。初始弹性模量是骨架线的切线的斜率在原点( )。拉伸骨骼线是一个双线软化部分,和弹性模量的上升的部分 。在达到轴向抗拉强度 ,线进入下降段的刚度 。压缩骨架线是由以下公式: 在哪里的轴向抗压强度是混凝土,是相对应的混凝土强度极限压应变 。

卸载和重新加载刚度的退化是由一个虚拟点R的位置是由损伤参数 。相应的压力点R根据计算(18),相应的压力 。的值范围所示(19)。

后R点确定,压缩骨架线内的装卸规则如下:直线的交点之间的卸货点R水平轴的残余应变 ,直线的斜率是损伤刚度,表示 ,在哪里是压缩损伤系数。在卸货时,首先根据初始刚度卸载 ,当卸载到残余应变点和刚度 ,卸载刚度改变了 。在重载中途卸货,初始刚度增加了负载到卸载点和之间的联系R点,然后根据负载刚度的损害(如图2)。

根据文献[23),约束指数采用考虑箍筋对混凝土的约束效应在钢筋混泥土框架结构成员,和混凝土应力-应变曲线方程的代码修改。计算的公式如下: 在哪里箍筋的屈服强度;箍筋的体积比是在混凝土梁柱成员。

在这种情况下,抗压强度和峰值应变如下:

5。工程实例

在下面的例子中,上部结构是预应力混凝土矩形槽结构,和身体是C50混凝土。弹性模量为3.45×10¹⁰Pa,底部截面的宽度是5.00米,槽的深度为4.25米,总长度为197.80米,水经过横截面的尺寸为4.00米×3.40米×2(的宽,高名额)。下部是螺旋桩的基础支持的单个行框架。混凝土密度是2500公斤/米³设计,材料的弹性模量为2.55×10¹⁰Pa,泊松比为0.3。支持一行三列的结构有一个10.40米的高度和圆形截面直径800毫米。盖梁和梁的连接两列之间的安排,都是矩形区域。顶梁截面的尺寸是1100毫米×1000毫米。海拔结构图和渡槽的截面图如图4和5,分别。

纤维梁单元的有限元分析是用于建立上述双通道渡槽结构的数值模型,如图6。元素的横截面有限元模型的构建符合实际的工程设计。B31 [25)梁勃起和盖梁元素被选中,如图7和8(26];开放的薄壁梁单元B31OS [25]渡槽的身体被选中,如图9;钢筋是通过共同的节点添加到混凝土技术基于等效面积的概念和等效位置(25]。橡胶轴承取代弹簧元件,设置为横向刚度K= 1.53×10⁶N·m。在数值模型中,总共有121个节点和110个单位。使用Westergaard模型,流体压力在渡槽槽应用于墙的附加水质量的方法。

探索大型渡槽结构的非线性动态响应在强震下,四个不同的网站类型的地震波输入(27]:北岭波,埃尔森特罗波,塔夫脱波,天津波。他们沿着横向通道输入0.6 g的最大振幅调制。阻尼是瑞利阻尼的阻尼比ξ= 0.05。

6。结果分析

6.1。自然振动频率和振型渡槽

从表可以看出1第一、第二和第四个订单double-slot渡槽结构的有限元模型的横向振动;第三,第五和第七个订单是纵向的振动;第六个和第十个订单是垂直振动;第八和第九订单码头弯曲振动。这表明,双通道渡槽结构的横向刚度相对较弱,渡槽货架是容易弯曲破坏的作用下发生强烈地震。因此,双通道的动态非线性分析渡槽结构横向地震作用下将进行。

6.2。纤维的应力和应变的列底部截面渡槽

自列底部的大型渡槽的结构可以很容易地进入弹塑性变形机制,部分混凝土的最大塑性应变的列成员提取进行分析。数据10和11显示了纤维混凝土的应力-应变曲线底部的架子上。应力-应变曲线表明,混凝土的抗压强度比抗拉强度更大的元素。当最初的地震激发很小,结构线弹性阶段,混凝土单元进入塑性阶段与地震波峰值的增加。作用下的埃尔森特罗波,积极的抗拉强度的材料非线性,但在这个时候,地震激发很小,也没有卸载后残余变形。作用下的埃尔森特罗波,混凝土单元拉伸屈服。这时,部分的拉应力降低为零,但压力继续增加,直到混凝土裂缝退出工作。当结构受到反向力,裂纹表面被关闭,裂纹表面生成的影响。混凝土的抗拉强度时可以恢复结构再次受到积极的张力。磁滞曲线是无序因为渡槽结构的轴向压缩比高,和不规则的弹塑性变形的钢筋混泥土成员发生在当地的地震激励增加。

6.3。渡槽结构的非线性反应分析

比较非线性地震响应差异渡槽的状态和线性弹性状态,两个计算模型:①弹性模型,结构材料的线性弹性地震时,总是保留和②弹塑性模型,材料表现出非线性特征在地震。

数据12- - - - - -15显示的时程曲线渡槽结构在弹性和弹塑性条件下由于横向地面运动。在弹塑性条件下的位移、速度和加速度大于这些预测的弹性模型。峰值加速度响应增加了75%,峰值速度反应增加了50%,峰值位移反应增加了68%。原因主要是进入弹塑性阶段后,刚度矩阵的改变,混凝土达到屈服后刚度的影响降低。地震波的振幅很小的初始阶段地震,渡槽结构在弹性阶段,弹性和弹塑性条件下的地震反应基本上是一致的。地震振幅的增加,结构的抗拉屈服进入非线性阶段。结构的加速度和位移响应明显大于比线弹性条件下非线性阶段。

表2比较的值剪切力、弯矩,加速度,速度,位移作用下的截面不同位置的埃尔森特罗波在弹性和弹塑性条件下。结果表明,响应峰值的剪力和弯矩在弹性条件下比在弹塑性条件下更大。原因是结构的总刚度矩阵中的元素显著降低后进入非线性状态,塑性损伤发生由于成员的大塑性变形,导致相应的位移和加速度的增加。此外,塑料伤害增加结构的阻尼和塑料能量耗散,这降低了结构的内力下降在一定程度上引起的地震。相比之下,发现的峰值响应中跨节是最大的。

为了比较和研究不同的网站类型的地震波的影响在大double-slot渡槽结构的非线性地震反应,四个地震波选择适合不同的网站类型(如图16)。北岭弱网站类型的波,塔夫脱中软场地类型的波,小城波中等硬度的网站类型,天津波的网站类型,输入沿着横向槽,最大振幅调整到0.6 g。与此同时,使用瑞利阻尼,阻尼比ξ= 0.05。

数据17- - - - - -20.表明,渡槽结构地震反应的是不同的不同的地震波的激发下不同的站点。的峰值位移反应天津,北岭,塔夫脱,埃尔森特罗波分别为0.23,0.145,0.078,和0.11米。软的渡槽结构的位移响应网站更大,和位移响应的最大区别和其他网站是0.149米。因此,网站的影响类型的非线性响应渡槽结构抗震设计中应考虑。图21比较了位移响应的渡槽结构的弹性模型和弹塑性模型的地面运动激励下四个不同的网站类型。可以清楚地看到,弹塑性模型的位移响应的渡槽结构在不同地震波下的大于弹性模型。渡槽结构可以消散地震能量形式的塑料能量耗散地震作用下减少地震作用下结构的伤害和失败。

7所示。确定基于有效的能量动态渡槽结构的崩溃

基于纤维束的数值模型元素的渡槽结构,四个北岭波与不同的振幅大小输入模拟结构的崩溃。每个工况的地震振幅如表所示3。

渡槽结构将进入强非线性阶段在灾难性的地震荷载。在这个时候,不能准确地预测结构的崩溃的身体反应,如位移、速度和加速度。图22显示的特点,有效的能源渡槽结构和有效的能源输入进行比较。有效能源结构条件下1和2的值总是小于输入能量。条件下,有效的能量超过了输入能量首次在5.7秒,而这发生在5.3 s条件下4。根据有效的能源崩溃标准,确定结构条件下1和2保持动态稳定,在渡槽结构条件下3和4倒塌。

图23显示了结构体系的能量时程曲线的条件下1(动态稳定性)和3(动态不稳定)。其中,ALLKE代表系统的动能,ALLPD代表塑料能源系统中,ALLSE代表系统中的弹性能量,ALLWK代表外力施加的能量在整个模型系统。结构基本上是处于线弹性阶段初期的地震,和能源系统也达到了最大值目前地震峰值的行动。条件下,当渡槽结构在崩溃的边缘,突然改变的能量系统。条件1下,塑料能量耗散结构的继续增加,最大值为192 kJ。条件下,塑料能量耗散结构的4.6秒内迅速增加到413 kJ。在这个时候,经验丰富的动态不稳定结构,而塑料能量耗散基本上保持不变。塑料能量耗散结构动态不稳定发生前发挥了重要作用。

为了验证渡槽结构的崩溃的可靠性标准基于有效的能源,人物24显示了时程曲线位移角的四个工作条件下墩渡槽的顶部。从图可以看出24的位移墩渡槽结构的顶部没有出现漂移现象在条件1和条件2,这反映了渡槽结构在这两种条件下不崩溃。然而,从图发现的时间历史的墩顶位移角渡槽状况条件3和4显示了一个大的漂移,表明渡槽结构不稳定和崩溃是由于结构刚度退化和材料软化。指的是先前的研究结果,最初的渡槽结构的崩溃是粗略定义的位移角码头首次超过5%。从图可以看出24渡槽结构的初始崩溃时间的条件3约为5.8 s,在条件4约为5.3 s。相比之下,发现崩溃渡槽结构的基于标准的有效能量准则和标准崩溃渡槽结构基于位移角的码头上可以准确地确定渡槽结构崩溃。当墩顶位移角限值被定义为5%,预测初始崩溃时间的两种方法基本上是一致的,验证了渡槽结构的崩溃测定方法的可靠性基于一个有效的能量判据。上述结果表明,崩溃标准基于有效的能量可以精确预测的动态稳定渡槽结构在地震下,是否正在崩溃。

材料应力-应变曲线可以进一步解释的崩溃行为渡槽结构从微观的角度来看材料屈服。以条件3为例,混凝土的应力-应变曲线元素在底部和顶部的中间离开码头,码头提取,分别如图25。可以看出塑料引起的能量耗散的增加大量的混凝土构件的塑性损伤条件3基本上是符合塑料能量耗散在图的变化25。与四个部分的应力-应变曲线相比,码头在渡槽结构不产生地震的早期阶段,和顶部的码头主要是压缩失败,和底部的码头是更容易拉伸断裂在地震的早期阶段。可以看出,混凝土元素底部的离开码头,中间底部的码头,和中间桥墩的顶部受到拉伸屈服的灾难性地震的作用下,压缩并没有达到屈服状态。具体元素的顶部左边墩达到屈服状态下张力和压缩,还有一定程度的收益失败的四个部分。

8。结论

本文double-slot渡槽结构的非线性动态分析模型基于纤维梁单元建立了大型渡槽结构的非线性发展过程分析作为切入点。采取双鸡河渡槽在南水北调中线工程项目为例,动态非线性全过程进行不同工况下的响应分析,渡槽结构的崩溃和标准提出了基于有效的能源。本文的主要工作及研究结论总结如下:(1)历史地震响应时间线弹性和非线性模型的计算结果渡槽结构的比较和分析。的非线性响应值加速度、速度和位移的渡槽结构地震作用下的大于线性弹性动力响应值,和内力响应的值小于线性弹性响应值。(2)根据这四个网站类型的网站,中等硬度的网站,中软站点和软站点,四个代表选择地震波研究的非线性响应double-slot渡槽结构在不同的地点和不同的调幅地面运动。渡槽结构的非线性响应值增加而削弱网站的条件。(3)渡槽结构的整体不稳定和崩溃的标准提出了基于有效的能源,并与最大位移角判据。结果表明,当有效特征能量形成的渡槽结构地震作用下总是小于有效输入能量,渡槽结构将保持动态稳定;当渡槽结构的有效特征能量系统首次超过了有效的输入能量,渡槽结构将会崩溃。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

建国徐和金鹏张了概念化;金鹏张和Chong吴导致数据管理;Chong吴邦国委员长和建国徐了正式的分析;Yupeng耿和金鹏张导致资金收购;Chong吴导致方法论;Chong吴导致草稿准备;徐:张和建国导致审查和编辑;耿Yupeng导致项目管理。

确认

这项研究得到了国家自然科学基金(52079128)和河南省的科技项目(182102210013和182102210013号)。作者感谢LetPub (https://www.letpub.com/)的语言帮助在准备这个手稿。