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我国水资源分布不均,主要呈现出南涝北旱的特点,为缓解我国北方水资源严重短缺局面,启动了具有重大战略性的南水北调工程。工程中修建40余座引水跨越山谷和江河的渡槽,将成为世界最大的引水渡槽,我国渡槽研究起步晚,发展缓慢,目前用于指导渡槽设计与施工的规范相对较少,这种新型结构形式及其抗震问题的研究属于学科前沿性课题。其中渡槽结构与液体相互作用问题和大跨径渡槽结构地震动输入方式问题成为当前研究的重点,相关课题的研究具有重要的理论意义和实用价值。本文主要工作内容如下: (1)介绍了液体阻尼器基本工作原理,总结了研究液体阻尼效应的三大分析模型及其计算方法:深水波理论模型、等效力学模型和浅水波理论模型,分析了不同模型的理论基础:深水波理论模型以流体势流理论和连续性方程为基础,等效力学模型以结构动力学理论为基础,浅水波理论模型以流体动量方程为基础。考虑不同模型的特点和适用范围,以及渡槽中液体的运动特征,选用深水波理论模型和等效力学模型作为本课题研究问题的方法。 (2)在渡槽液体满足基本假定的基础上,建立了应用于渡槽的深水波理论模型的流体控制方程,并给出相关参数的物理意义,基于 Newmark数值积分方法进行流体控制方程的迭代求解,并采用APDL语言编写子程序,最后通过一个例子验证了程序的正确性和精度;将渡槽中液体近似处理为“弹簧-质量-阻尼器”体系,从结构动力学角度来推导弹簧刚度、质量和阻尼等参数,在ANSYS中弹簧和阻尼器采用COMBIN14单元模拟,质量采用MASS21单元模拟。 (3)以南水北调中线某渡槽为研究对象,结合渡槽结构板壳特性,建立三维有限元模型。在渡槽结构动力特性分析时,考虑了预应力和动水压力的影响,结果表明有水工况较无水工况自振频率有所减小,考虑动水压力对结构高阶自振频率的影响较小,对结构前十阶振型影响较小。在渡槽结构动力时程分析时,考虑了瑞利阻尼,采用连续求解法考虑自重的影响,采用深水波理论模型和等效力学模型考虑液体晃动阻尼效应,并与附加质量模型进行对比分析,结果表明,在横向地震荷载作用下,考虑液体晃动阻尼效应时结构的位移和应力响应峰值较附加质量模型计算结果要小,横向位移减小了10％～20％。采用附加质量法在一定程度上夸大了结构的地震响应,是偏于安全的。 (4)在地震行波效应问题中,采用支座大质量法实现多点地震输入,在ANSYS中支座大质量采用MASS21单元模拟,利用APDL语言编写边界节点地震波数据修正与输入程序,采用等效力学模型考虑渡槽中液体的晃动阻尼效应,采用沿纵向传播的剪切波作为激励波。结果表明,考虑行波效应时渡槽结构纵向位移响应峰值可增大数倍,横向位移响应峰值最大增加幅度为29％,对其他位移和应力分量的影响不大;行波效应对结构响应的影响规律不一,纵向位移、横向位移和剪切应力有增大趋势,竖向位移、第一主应力和第三主应力呈减小趋势。 (5)文章最后根据研究成果提出了一些具有一定学术价值的结论以及与实际工程密切关联的建设性建议,并对未来发展趋势进行了展望。