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泵站出水塔是一种塔式出水结构,主要作用是连接渡槽和上游泵站压力管道,具有纵向刚度大、整体稳定性强等结构特点,导致其能够长时间稳定工作,且服役年限长,因而在大型的电力提灌工程中应用广泛。尽管其整体稳定性强,但在地震灾害发生的情况下,也可能发生局部构件损伤,从而影响出水塔结构的正常运行,甚至出现整体破坏,引发经济、民生等灾难性问题。此外,我国早期的抗震设计标准具有其时限性,在该标准下修建的泵站出水塔结构必然与现有抗震规范要求不符,在这种情况下,需要对该结构进行工程加固甚至拆除重建。在这种背景及规范要求下,进行对泵站出水塔结构在地震作用时响应分析和损伤破坏规律的研究很有必要。该研究对泵站出水塔结构运行期间抗震安全、工程安全加固以及其他类似塔体结构的抗震结构设计均具有重要的科研理论指导意义。
本文结合景电川电力提灌工程的地域特点及运行情况,以泵站出水塔为研究对象,采用数值仿真与工作模态辨识的方法,建立了水体—结构—地基三相耦联的有限元模型,对多相耦合作用的泵站出水塔结构的动力特性及损伤模式规律进行了研究。主要研究内容如下:
(1)考虑流固耦合效应,依据弹性波理论,建立泵站出水塔结构的两种地基模型—粘弹性边界模型和无质量地基模型,分有无水体2种工况,进行泵站出水塔体系整体结构自振特性的研究,利用低频传感器现场采集泵站出水塔实测数据,运用CEEMDAN-SVD方法、方差贡献率信息融合方法提取泵站出水塔固有工作频率,并与流固耦合模型干有水工况模态结果进行对比分析,验证所建流固耦合模型的合理性及流体对泵站出水塔体系的影响。
(2)考虑水体-结构-地基多相耦合作用、运用不同地基条件的泵站出水塔模型进行了线弹性地震响应分析,分别对无质量地基模型与粘弹性边界模型进行地震波输入,对比分析相应的动力响应,探讨水体-结构-地基耦联系统相互作用的影响规律。研究表明:泵站出水塔结构工作基频为3.3Hz;结构内水体降低泵站出水塔的固有频率,增加泵站出水塔的地震响应,在进行地震计算分析时,不应忽略;粘弹性边界模型在地震计算中能够考虑辐射阻尼效应,与无质量地基模型计算结果相比,泵站出水塔特征点的位移响应最大值降低38.5%,应力幅值降低37.8%,因此运用数值仿真技术对结构进行抗震分析时,选择粘弹性边界更能准确模拟实际结构所在的场地。
(3)采用非线性功能更为强大的ABAQUS软件,对泵站出水塔进行了不同地震峰值加速度下的地震响应计算,得到泵站出水塔的损伤开裂规律:泵站出水塔在地震下容易出现损伤的位置主要是底部排架-镇墩接触位置和中部环形梁-隔板接触位置。随着惯性力作用的增加(峰值加速度0.4g),在其作用下,该部位开始发生损伤破坏,且损伤沿排架向上发展;当峰值加速度达到0.6g时,损伤位置范围增加,在塔体结构二层排架与隔板等位置均发生损伤破坏,损伤达到0.970,压缩损伤为0.5068。
本文结合景电川电力提灌工程的地域特点及运行情况,以泵站出水塔为研究对象,采用数值仿真与工作模态辨识的方法,建立了水体—结构—地基三相耦联的有限元模型,对多相耦合作用的泵站出水塔结构的动力特性及损伤模式规律进行了研究。主要研究内容如下:
(1)考虑流固耦合效应,依据弹性波理论,建立泵站出水塔结构的两种地基模型—粘弹性边界模型和无质量地基模型,分有无水体2种工况,进行泵站出水塔体系整体结构自振特性的研究,利用低频传感器现场采集泵站出水塔实测数据,运用CEEMDAN-SVD方法、方差贡献率信息融合方法提取泵站出水塔固有工作频率,并与流固耦合模型干有水工况模态结果进行对比分析,验证所建流固耦合模型的合理性及流体对泵站出水塔体系的影响。
(2)考虑水体-结构-地基多相耦合作用、运用不同地基条件的泵站出水塔模型进行了线弹性地震响应分析,分别对无质量地基模型与粘弹性边界模型进行地震波输入,对比分析相应的动力响应,探讨水体-结构-地基耦联系统相互作用的影响规律。研究表明:泵站出水塔结构工作基频为3.3Hz;结构内水体降低泵站出水塔的固有频率,增加泵站出水塔的地震响应,在进行地震计算分析时,不应忽略;粘弹性边界模型在地震计算中能够考虑辐射阻尼效应,与无质量地基模型计算结果相比,泵站出水塔特征点的位移响应最大值降低38.5%,应力幅值降低37.8%,因此运用数值仿真技术对结构进行抗震分析时,选择粘弹性边界更能准确模拟实际结构所在的场地。
(3)采用非线性功能更为强大的ABAQUS软件,对泵站出水塔进行了不同地震峰值加速度下的地震响应计算,得到泵站出水塔的损伤开裂规律:泵站出水塔在地震下容易出现损伤的位置主要是底部排架-镇墩接触位置和中部环形梁-隔板接触位置。随着惯性力作用的增加(峰值加速度0.4g),在其作用下,该部位开始发生损伤破坏,且损伤沿排架向上发展;当峰值加速度达到0.6g时,损伤位置范围增加,在塔体结构二层排架与隔板等位置均发生损伤破坏,损伤达到0.970,压缩损伤为0.5068。