CN110889245B - 水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，基于水力式升船机塔柱结构耦联体系三维有限元概化模型，提出了水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，研究了竖井内水体和承船厢位置对景洪水力式升船机塔柱结构动力响应的影响，本发明更全面、更准确地分析了竖井内水深、承船厢所处位置等因素对水力式升船机塔柱结构耦联体系动力响应的影响，指出了水力式升船机塔柱结构耦联体系地震作用下最不利运行工况，为实际工程设计提供了科学、合理的依据和参考。
Description
技术领域
本发明涉及水力式升船机塔柱结构地震动响应分析方法，具体涉及一种水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法。
背景技术
作为一种新型的垂直升船机，水力式升船机解决了承船厢漏水等极端事故状态下升船机的安全问题，具有其他型式升船机不具备的优势。经过十余年的研究，该技术已成功运用到景洪升船机的建设中。水力式升船机塔柱结构内设竖井和浮筒，这与一般的升船机塔柱结构不同，某种程度上而言，竖井系统的存在削弱了水力式升船机塔柱结构的整体刚度，使之成为柔性的高耸薄壁结构，该类结构的受力状况比较复杂，特别是地震作用下塔柱结构能否安全可靠运行，成为了当前水力式升船机主要研究方向之一。
目前对水力式升船机塔柱结构抗震性能方面的研究相对较少，许多学者运用动力模型试验或数值模拟方法，对水力式升船机塔柱进行抗震分析。但大部分研究都是针对升船机主体结构，从不同角度系统分析其在地震作用下的受力形态和响应情况，对竖井内水体的研究较少，且局限于某一固定水深，对竖井内浮筒和水体以及承船厢和厢内水体与塔柱结构之间耦合作用的研究更是无人涉及。同时，地震荷载作用下竖井内水体与浮筒和塔柱结构之间的相互作用以及承船厢内水体与承船厢之间的相互作用是典型的流固耦合问题，计算中不容忽视，而现有研究大多数采用附加质量法来模拟竖井内水体和塔柱结构的相互作用。
事实上，水力式升船机是一个复杂的耦联体系，主要包括塔柱主体结构、竖井内浮筒和水体、承船厢和厢内水体以及卷筒结构等，对于这样复杂的耦联体系，仅对塔柱主体结构进行地震响应分析显然是有失偏颇的。而且，采用附加质量法来模拟竖井内水体和塔柱结构的相互作用存在如下两方面问题：一方面附加质量法主要研究坝前无限域水体对刚性坝面的动水压力问题，采用附加质量法来模拟竖井内有限域水体与塔柱结构的相互作用是不恰当的；另一方面，附加质量法仅考虑了水体对结构的作用，而未反映出固体变形对水体的影响这一流固耦合本质。因此，有必要对水力式升船机塔柱结构耦联体系地震作用下的动力响应进行深入的研究，以期更全面、更准确地分析竖井内水深、承船厢所处位置等因素对水力式升船机塔柱结构耦联体系动力响应的影响。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，解决目前对对水力式升船机塔柱结构耦联体系地震作用下的动力响应分析不准确全面的问题。
技术方案：本发明所述的升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，包括以下步骤：
(1)基于水力式升船机塔柱结构，分别建立三维水力式升船机塔柱-浮筒-水体耦联体系、塔柱-乘船厢-水体耦联体系、塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系和塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系有限元概化模型；
(2)针对塔柱-浮筒-水体耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对竖井内不同水深工况下耦联体系进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，得到竖井内水深对塔柱结构地震动响应的影响规律；
(3)针对塔柱-乘船厢-水体耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对承船厢不同位置工况下耦联体系进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，得到乘船厢和厢内水体对塔柱结构地震动响应的影响规律；
(4)根据步骤(2)和步骤(3)得到地震动响应分析结果，确定塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系最不利运行工况，针对最不利工况下塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系和塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对该工况下两种耦联体系分别进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，得到地震作用下水体和塔柱结构之间流固耦合作用对地震动响应的分析的影响；
(5)基于景洪水力式升船机塔柱结构，建立竖井内不同水深运行工况下三维景洪水力式升船机塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系有限元模型；
(6)针对步骤(5)建立的景洪水力式升船机塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系有限元模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对竖井内不同水深工况(竖井内水深变化乘船厢位置相应会发生变化)下耦联体系进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，得到竖井内水体和承船厢位置对塔柱结构动力响应的影响规律，并将得出的规律与概化模型得出的规律进行相互印证，验证概化模型计算规律的正确性。
其中，所述步骤(1)中基于ADINA有限元分析软件建立概化模型，模型以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个塔柱，两侧塔柱内部各布置一个装有浮筒的方形竖井，两侧塔柱结构中间空腔为升船机承船厢的运行空间，两侧塔柱顶部由联系梁相连，底部由底板相连；浮筒为方形，由4根钢丝绳悬吊，承船厢为矩形箱式结构，由8根钢丝绳悬吊，塔柱顶部采用矩形块来近似模拟水力式升船机卷筒；承船厢和竖井内的水体采用势流体单元进行模拟，钢丝绳采用杆单元进行模拟，其余的均采用三维实体单元来模拟。
所述步骤(4)中对塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系进行动力计算时，竖井内和承船厢内水体的作用采用静水压力的形式施加。
所述步骤(5)中基于ADINA有限元分析软件建立有限元模型，模型以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个宽11.6m的塔柱，两侧塔柱内部各布置8个装有浮筒的圆形竖井，两侧塔柱结构中间空腔为升船机承船厢的运行空间，两侧塔柱顶部由10根联系梁相连，底部由底板相连；浮筒为圆形，由2根钢丝绳悬吊，承船厢为矩形箱式结构，由48根钢丝绳悬吊，塔柱顶部采用矩形块来近似模拟水力式升船机卷筒；承船厢和竖井内的水体采用势流体单元进行模拟，钢丝绳采用杆单元进行模拟，其余的均采用三维实体单元来模拟。
所述步骤(1)和步骤(5)建立的模型中，水体与结构接触的边界设置为流固耦合边界，具体为：
式中，Γfs—流固耦合面；
—分别为流固耦合面上固体的速度和流体的速度；
—分别为流固耦合面上固体的表面应力和流体的表面应力；
同时水体表面设置为自由表面，塔柱结构底部施加固定约束，沿顺河向方向塔柱结构两侧面施加法向位移约束，使模型仅在横河向和竖直向方向发生运动，浮筒、承船厢和塔柱结构之间设置水平方向的位移协调约束方程，使浮筒顶部、承船厢和塔柱结构之间在水平方向不发生相对位移，而在竖直向则保持各自的运动。
有益效果：本发明基于水力式升船机塔柱结构耦联体系三维有限元概化模型，提出了水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，本发明更全面、更准确地分析了竖井内水深、承船厢所处位置等因素对水力式升船机塔柱结构耦联体系动力响应的影响，指出了水力式升船机塔柱结构耦联体系地震作用下最不利运行工况，为实际工程设计提供了科学、合理的依据和参考。
附图说明
图1是塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系有限元概化模型整体耦联体系；
图2是塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系有限元概化模型浮筒-水体体系；
图3是塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系有限元概化模型承船厢-水体体系；
图4是标准设计反应谱；
图5是标准设计反应谱；
图6是X向加速度时程曲线；
图7是Y向加速度时程曲线；
图8是Z向加速度时程曲线；
图9是塔柱-浮筒-水体耦联体系有限元概化模型运行工况1；
图10是塔柱-浮筒-水体耦联体系有限元概化模型运行工况2；
图11是塔柱-浮筒-水体耦联体系有限元概化模型运行工况3；
图12是塔柱-浮筒-水体耦联体系有限元概化模型运行工况4；
图13是塔柱-浮筒-水体耦联体系有限元概化模型运行工况5；
图14是塔柱结构Y向位移极值随塔身高度变化关系对比；
图15是塔柱结构顶部特征点Y向位移极值对比情况；
图16是塔柱-承船厢-水体耦联体系有限元概化模型运行工况1；
图17是塔柱-承船厢-水体耦联体系有限元概化模型运行工况2；
图18是塔柱-承船厢-水体耦联体系有限元概化模型运行工况3；
图19是塔柱-承船厢-水体耦联体系有限元概化模型运行工况4；
图20是塔柱-承船厢-水体耦联体系有限元概化模型运行工况5；
图21是塔柱结构Y向位移极值随塔身高度变化关系对比；
图22是最不利运行工况下塔柱-浮筒-承船厢耦联体系有限元概化模型整体耦联体系；
图23是最不利运行工况下塔柱-浮筒-承船厢耦联体系有限元概化模型浮筒体系；
图24是最不利运行工况下塔柱-浮筒-承船厢耦联体系有限元概化模型承船厢体系；
图25是最不利运行工况塔柱结构Y向位移极值随塔身高度变化关系对比；
图26是景洪水力式升船机塔柱结构-浮筒-承船厢-水体耦联体系；
图27是景洪水力式升船机浮筒-承船厢-水体耦联体系；
图28是景洪水力式升船机浮筒-水体耦联体系；
图29是景洪水力式升船机承船厢-水体耦联体系；
图30是景洪水力式升船机塔柱结构-浮筒-承船厢-水体耦联体系运行工况1；
图31是景洪水力式升船机塔柱结构-浮筒-承船厢-水体耦联体系运行工况2；
图32是景洪水力式升船机塔柱结构-浮筒-承船厢-水体耦联体系运行工况3；
图33是景洪水力式升船机塔柱结构-浮筒-承船厢-水体耦联体系运行工况4；
图34是景洪水力式升船机塔柱结构-浮筒-承船厢-水体耦联体系运行工况5；
图35是景洪水力式升船机塔柱结构顶部X向位移极值随竖井内水深变化关系对比；
图36是景洪水力式升船机塔柱结构X向位移极值随塔高变化关系对比。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
一种水力式升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，包括如下步骤：
(1)基于水力式升船机塔柱结构，分别建立三维水力式升船机塔柱-浮筒-水体耦联体系、塔柱-乘船厢-水体耦联体系、塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系和塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系有限元概化模型；
(2)针对塔柱-浮筒-水体耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对竖井内不同水深工况下耦联体系进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，研究竖井内水深对塔柱结构地震动响应的影响；
(3)针对塔柱-乘船厢-水体耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对乘船厢不同位置工况下耦联体系进行计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，研究乘船厢和厢内水体对塔柱结构地震动响应的影响；
(4)根据塔柱-浮筒-水体耦联体系和塔柱-乘船厢-水体耦联体系地震动响应分析结果，确定塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系最不利运行工况，该工况的确定可为水力式升船机塔柱结构抗震设计提供相应的依据和参考。针对最不利工况下塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系和塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对该工况下两种耦联体系分别进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，分析考虑地震作用下水体和塔柱结构之间流固耦合作用的必要性；
(5)基于景洪水力式升船机塔柱结构，建立竖井内不同水深运行工况下三维景洪水力式升船机塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系有限元模型；
(6)针对景洪水力式升船机塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系有限元模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对竖井内不同水深工况(竖井内水深变化乘船厢位置相应会发生变化)下耦联体系进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，研究竖井内水体和承船厢位置对塔柱结构动力响应的影响，并将计算规律与概化模型计算规律进行相互印证，以此来验证概化模型计算规律的正确性。
其中，所述步骤(1)中基于ADINA有限元分析软件建立概化模型，模型以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个塔柱，两侧塔柱内部各布置一个装有浮筒的方形竖井，两侧塔柱结构中间空腔为升船机承船厢的运行空间，两侧塔柱顶部由联系梁相连，底部由底板相连；浮筒为方形，由4根钢丝绳悬吊，承船厢为矩形箱式结构，由8根钢丝绳悬吊，塔柱顶部采用矩形块来近似模拟水力式升船机卷筒；承船厢和竖井内的水体采用势流体单元进行模拟，钢丝绳采用杆单元进行模拟，其余的均采用三维实体单元来模拟。
所述步骤(4)中对塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系进行动力计算时，竖井内和承船厢内水体的作用采用静水压力的形式施加。
所述步骤(5)中基于ADINA有限元分析软件建立有限元模型，模型以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个宽11.6m的塔柱，两侧塔柱内部各布置8个装有浮筒的圆形竖井，两侧塔柱结构中间空腔为升船机承船厢的运行空间，两侧塔柱顶部由10根联系梁相连，底部由底板相连；浮筒为圆形，由2根钢丝绳悬吊，承船厢为矩形箱式结构，由48根钢丝绳悬吊，塔柱顶部采用矩形块来近似模拟水力式升船机卷筒；承船厢和竖井内的水体采用势流体单元进行模拟，钢丝绳采用杆单元进行模拟，其余的均采用三维实体单元来模拟。
所述步骤(1)和步骤(5)建立的模型中，水体与结构接触的边界设置为流固耦合边界，具体为：
式中，Γfs—流固耦合面；
—分别为流固耦合面上固体的速度和流体的速度；
—分别为流固耦合面上固体的表面应力和流体的表面应力；
同时水体表面设置为自由表面，塔柱结构底部施加固定约束，沿顺河向方向塔柱结构两侧面施加法向位移约束，使模型仅在横河向和竖直向方向发生运动，浮筒、承船厢和塔柱结构之间设置水平方向的位移协调约束方程，使浮筒顶部、承船厢和塔柱结构之间在水平方向不发生相对位移，而在竖直向则保持各自的运动。
下面以具体实例来说明本发明：
(1)水力式升船机塔柱结构耦联体系概化模型分析
如说明书附图1、2和3所示，基于ADINA有限元分析软件，根据景洪水力式升船机几何参数，建立水力式升船机塔柱结构耦联体系有限元概化模型。模型中X轴为顺河向，Y轴为横河向，Z轴为竖直方向。其中塔柱结构顶部高程为614.0m，底部高程为522.0m，高92m，上下游方向长12m，横河向宽为40m，以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个宽11.6m的塔柱，两侧塔柱内部各布置一个装有浮筒的方形竖井，竖井底部高程为542.0m，尺寸为6.5m×6.5m。两侧塔柱结构中间空腔为升船机承船厢的运行空间，宽16.8m，两侧塔柱顶部由联系梁相连，底部由底板相连，底板厚度为6.5m。浮筒为方形，长17.0m，方形截面具体尺寸为4.5m×4.5m，由4根钢丝绳悬吊。承船厢长11.8m，宽15.8m，实际水域面积为9.0m×12.0m×2.5m(长×宽×水深)，由8根钢丝绳悬吊。塔柱顶部采用矩形块来近似模拟水力式升船机卷筒。承船厢和竖井内的水体采用势流体单元进行模拟，钢丝绳采用杆单元进行模拟，其余的均采用三维实体单元来模拟。
水体与结构接触的边界设置为流固耦合边界，水体表面设置为自由表面。塔柱结构底部施加固定约束，沿X方向的塔柱结构两侧面施加法向位移约束，使模型仅在横河向和竖直向方向发生运动。由于浮筒装置上导向轮以及承船厢上导向系统的存在，浮筒、承船厢和塔柱结构之间设置水平方向的约束方程，使浮筒顶部、承船厢和塔柱结构之间在水平方向不发生相对位移，而在竖直向则保持各自的运动。
为方便说明，在塔柱结构顶部位置取一特征点A，特征点的具体分布见说明书附图4。
水力式升船机有限元模型中，所有浮筒的总质量等于承船厢和水体总质量的两倍(势流体单元不能模拟浮力的作用)。承船厢总质量为88.75t(为景洪水力式升船机承船厢总质量的1/8)，则每个浮筒的质量为360.25t。另外，塔柱结构顶部每个卷筒质量为78.5t(采用景洪水力式升船机卷筒质量)。根据质量相等的原则，推求各材料的密度。模型中用到的材料参数具体见表1。
表1材料参数表
| 名称 | 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 弹模(GPa) | 泊松比 | 体积模量(GPa) |
| 塔柱混凝土 | 2400 | 25 | 0.167 | — |
| 浮筒 | 1045.48 | 300 | 0.3 | — |
| 承船厢 | 130.97 | 300 | 0.3 | — |
| 钢丝绳 | 7500 | 300 | 0.3 | — |
| 顶部卷筒 | 4307.3 | 300 | 0.3 | — |
| 水体 | 1000 | — | — | 2.3 |
由于在水力式升船机多耦联体系概化模型中考虑了浮筒、承船厢、卷筒、钢丝绳以及竖井和承船厢内水体的存在，为便于分析，静荷载只考虑了自重荷载。根据《水工建筑物抗震设计标准》(GB51247-2018)，景洪水力式升船机抗震设防类别为乙类，设计反应谱最大值的代表值取βmax＝2.25，最小值βmin＝0.5，特征周期按II类场地取值，即Tg＝0.35s，阻尼比取0.07。根据上述参数，得到景洪水力式升船机设计反应谱，具体如说明书附图5所示。按此反应谱生成三条人工地震加速度标准时程曲线，具体见说明书附图6、7和8。本节计算基于ADINA有限元分析软件，结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，在水力式升船机塔柱结构概化模型底部输入水平Y向和竖直Z向加速度波，对其进行地震动响应分析。其中，水力式升船机塔柱结构概化模型的水平向基岩峰值加速度取为0.3g，竖直向基岩峰值加速度取水平向基岩峰值加速度的2/3。
1)仅考虑塔柱-浮筒-水体耦联体系
针对仅考虑塔柱-浮筒-水体耦联体系，分别对不同运行工况的塔柱-浮筒-水体耦联体系进行地震动响应分析，研究竖井内水体和浮筒的存在对升船机塔柱结构动力响应的影响，并探讨竖井内不同水深对塔柱-浮筒-水体耦联体系流固耦合地震动响应的影响。
水力式升船机通过输水系统向竖井内充、泄水来驱动承船厢的运行，运行过程中竖井内水深不断变化。针对这种情况，计算了五种竖井内不同水深运行工况，其中包含了竖井内最高水位和最低水位运行工况，具体运行工况如表2所示。
表2不同运行工况信息
针对上述五种不同运行工况，分别建立了有限元模型，其中塔柱-浮筒-水体耦联体系的有限元模型如说明书附图9、10、11、12和13所示。
以工况1为例，对塔柱-浮筒-水体耦联体系进行流固耦合地震动响应计算，计算结果与仅塔柱结构动力响应结果进行对比，重点分析竖井内浮筒和水体的存在对升船机塔柱结构地震动响应的影响。其中，仅塔柱结构工况不存在浮筒系统，且竖井内无水。
说明书附图14给出了升船机塔柱结构Y向位移极值数值模拟结果随塔身高度变化关系的对比情况。与仅塔柱结构计算规律类似，随着塔身高度增加，塔柱-浮筒-水体耦联体系工况1下Y向位移极值逐渐增大。相同高度下，塔柱-浮筒-水体耦联体系计算结果比仅塔柱结构计算结果偏大，且随着塔身高度增加，偏差越来越大，并于塔柱结构顶部达到最大，其最大偏差为8.2mm。这说明竖井内浮筒和水体存在整体增大了塔柱结构的位移响应。
塔柱-浮筒-水体耦联体系不同运行工况下顶部特征点Y向位移极值计算结果与仅塔柱结构计算结果的对比情况见说明书附图15。随着竖井内水深增加，塔柱-浮筒-水体耦联体系下塔柱结构顶部特征点Y向位移最值与仅塔柱结构计算结果偏差逐渐增大，且增大速率也在逐步增大，呈现出一定的非线性。这说明竖井内水深对升船机塔柱结构位移响应影响显著，竖井内水体的存在不容忽视。
综上所述，竖井内水体和浮筒的存在增大了塔柱结构地震动响应，且随着水深增加，升船机塔柱结构动力响应逐渐增大。因此，对于高耸水力式升船机塔柱结构，竖井内水体的存在不容忽视。
2)仅考虑塔柱-承船厢-水体耦联体系
针对仅考虑塔柱-承船厢-水体耦联体系，分别对不同运行工况的塔柱-承船厢-水体耦联体系进行地震动响应分析，研究承船厢和厢内水体的存在对升船机塔柱结构动力响应的影响，并探究承船厢所处位置对塔柱结构动力响应的影响。
水力式升船机运行过程中，竖井内水深变化会直接影响承船厢的位置，针对这种情况，，分别给出了与之对应的承船厢位置，具体工况如表3所示。需要指出的是，水力式升船机采用带动滑轮的平衡重浮筒形式，悬挂承船厢的钢丝绳绕过卷筒后再绕过动滑轮，因此承船厢位置变化范围是浮筒位置变化范围的2倍。
表3塔柱-承船厢-水体耦联体系不同运行工况信息
针对上述五种不同运行工况，分别建立了有限元模型，其中塔柱-承船厢-水体耦联体系的有限元模型如说明书附图16、17、18、19和20所示。
以工况5为例，对塔柱-承船厢-水体耦联体系进行流固耦合地震动响应计算，计算结果与仅塔柱结构动力响应结果进行对比，重点分析承船厢和厢内水体的存在对升船机塔柱结构地震动响应的影响。其中，仅塔柱结构工况不存在承船厢系统
说明书附图21给出了升船机塔柱结构Y向位移极值数值模拟结果随塔身高度变化关系的对比情况。与仅塔柱结构计算规律类似，随着塔身高度增加，塔柱-承船厢-水体耦联体系工况5下Y向位移极值逐渐增大。相同高度下，塔柱-承船厢-水体耦联体系计算结果与仅塔柱结构计算结果基本一致，这说明承船厢和厢内水体的存在整体对塔柱结构位移响应影响很小。
塔柱-承船厢-水体耦联体系不同运行工况的结果对比情况见表4。由表可知，承船厢所处位置对升船机塔柱结构动力响应影响很小，随着承船厢位置上升，塔柱结构整体动力响应基本不发生变化。
表4塔柱-承船厢-水体耦联体系不同运行工况数值模拟结果对比
综上所述，承船厢所处位置对升船机塔柱结构动力响应影响很小，随着承船厢位置上升，塔柱结构整体动力响应基本不发生变化。
3)考虑塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系
针对考虑塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系，确定塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系地震作用下最不利运行工况，并基于此工况分析探讨考虑流固耦合作用的必要性。
由于竖井内水体和浮筒的存在增大了塔柱结构地震动响应，且随着水深增加，升船机塔柱结构动力响应逐渐增大，此外，承船厢所处位置对升船机塔柱结构动力响应影响很小，随着承船厢位置上升，塔柱结构整体动力响应基本不发生变化。因此可认为当竖井内水深最大时(此时承船厢位于最下方位置)为塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系地震作用下的最不利运行工况，其有限元模型如说明书附图1、2和3所示。
表5不同运行工况下塔柱结构数值模拟结果最值信息对比情况
不同运行工况下升船机塔柱结构数值模拟结果最值信息对比情况如表5所示。地震作用下，塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系最不利运行工况下计算结果与塔柱-浮筒-水体耦联体系下竖井内最大水深工况计算结果基本一致。这一方面说明塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系中竖井内水体是影响升船机塔柱结构地震动响应的主要因素，另一方面说明承船厢和厢内水体的存在对升船机塔柱结构动力响应影响较小，塔柱结构整体动力响应基本不发生变化。
为了揭示竖井内水体和承船厢内水体的流固耦合作用对塔柱结构动力响应的影响，本小节根据塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系最不利运行工况模型，建立了相应的塔柱-浮筒-承船厢耦联体系的有限元模型，具体如说明书附图22、23和24所示。其中，竖井内和承船厢内水体的作用采用静水压力的形式施加。
最不利运行工况下塔柱结构Y向位移极值数值模拟结果随塔身高度变化关系的对比情况见说明书附图25。考虑流固耦合作用下塔柱结构Y向位移极值较水荷载工况结算结果偏大，且随着塔身高度增加，偏差越来越大，并于塔柱结构顶部达到最大，其最大偏差约为7.9mm。可以看出，竖井内水体和塔柱结构之间的流固耦合作用对升船机塔柱结构动力响应影响显著。
综上所述，竖井内水体和塔柱结构之间的流固耦合作用增大了塔柱结构动力响应，计算中不容忽视。
(2)景洪水力式升船机塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系工程实例分析
结合景洪水力式升船机塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系工程实例，对不同运行工况下景洪水力式升船机塔柱结构耦联体系进行流固耦合地震动响应分析，研究竖井内水体和承船厢位置对塔柱结构动力响应的影响。
景洪水力式升船机塔柱结构顶部高程为614.0m，底部高程522.0m，高92m，上下游方向长76.6m，横河向宽为40m，以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个宽11.6m的塔柱，两侧塔柱内各布置8个装有浮筒的竖井，竖井底部高程为542.0m，竖井594.5m高程以下为圆形截面，截面直径为6.5m，594.5m高程以上是矩形截面，截面具体尺寸为7.2m×7.2m。两侧塔柱结构中间空腔为升船机承船厢的运行空间，宽16.8m，两侧塔柱顶部由10根横梁相连，底部由底板相连，底板厚度为6.5m。
如说明书附图26所示，根据升船机具体尺寸信息，建立景洪水力式升船机塔柱结构耦联体系三维有限元模型，其中塔柱结构顶部采用矩形块来近似模拟水力式升船机卷筒结构。模型中X轴取为横河向，正向指向左岸；Y轴取为顺河向，正向指向上闸首；Z轴取为竖直方向，正向指向上方。除用于悬吊浮筒和承船厢结构的钢丝绳采用2节点杆单元模拟，其余均采用8节点六面体单元，其中竖井和承船厢内水体采用势流体单元进行模拟。模型中共有53458个单元，64158个节点，其中杆单元为80个，竖井内水体单元为13152个，承船厢内水体单元为4560个。说明书附图27给出了浮筒-承船厢-水体耦联体系的有限元模型，说明书附图28和说明书附图29分别给出了浮筒-水体耦联体系和承船厢-水体耦联体系有限元模型。
水体与结构接触的边界设置为流固耦合边界，水体表面设置为自由表面。塔柱结构底部施加固定约束。由于浮筒装置上导向轮以及承船厢上导向系统的存在，浮筒、承船厢和塔柱结构之间设置水平方向的约束方程，使浮筒顶部、承船厢和塔柱结构之间在水平方向不发生相对位移，而在竖直向则保持各自的运动。
由于在有限元模型中考虑了浮筒、承船厢、卷筒、钢丝绳以及竖井和承船厢内水体的存在，为便于分析，静荷载只考虑了自重荷载。
动力计算时除考虑静力计算的所有荷载外，需要考虑三向地震作用，其中，地震波选用3.2.3节中生成的人工波。另外，对于景洪水力式升船机塔柱结构而言，其水平向基岩峰值加速度为0.23g，竖直向基岩峰值加速度取水平向基岩峰值加速度的2/3。
表6材料静态参数表
| 名称 | 密度(kg/m<sup>3</sup>) | 弹模(GPa) | 泊松比 | 体积模量(GPa) |
| 塔柱混凝土 | 2400 | 25 | 0.167 | — |
| 浮筒 | 713.6 | 300 | 0.3 | — |
| 承船厢 | 195.9 | 300 | 0.3 | — |
| 钢丝绳 | 7500 | 300 | 0.3 | — |
| 顶部卷筒 | 3579.2 | 300 | 0.3 | — |
| 水体 | 1000 | — | — | 2.3 |
注1：动力计算时，根据规范规定，混凝土的弹性模量在静态弹性模量的基础上提高50％，即为37.5GPa；
注2：表格中的“—”表示该项不存在，或者表示没有必要列出，亦或者是没有意义。
景洪水力式升船机塔柱结构耦联体系有限元模型中，所有浮筒的总质量等于承船厢和厢内水体总质量的两倍(势流体单元不能模拟浮力的作用)。其中，景洪水力式升船机承船厢质量为710t，其内水体质量为2014.7t，则每个浮筒的质量为340.6t；另外，塔柱结构顶部每个卷筒质量为78.5t。根据质量相等的原则，推求各材料的密度。模型用到的材料静态参数见表6。
景洪水力式升船机运行过程中竖井内水深和承船厢位置是不断变化的，针对这种情况设计了五种竖井内不同水深运行工况，其中包含了竖井内最高水位(承船厢位置最低)和最低水位工况(承船厢位置最高)，具体工况如表7所示。
表7运行工况表
针对上述五种不同运行工况，分别建立了相应的有限元模型，其中浮筒-承船厢-水体耦联体系的有限元模型具体如说明书附图30、31、32、33和34所示。
根据概化模型计算规律，首先对景洪水力式升船机塔柱结构耦联体系最不利运行工况(工况1)进行抗震数值模拟计算，得到该工况下塔柱结构地震动响应。表8-表9分别给出了景洪水力式升船机塔柱结构耦联体系最不利运行工况下最大位移和应力数值及分布位置。
表8最不利运行工况下静动力作用下位移最值及分布
表9工况1静动力作用下不同位置处第一主应力最值结果
然后分别对不同运行工况的景洪水力式升船机塔柱结构耦联体系进行抗震数值模拟计算，探究竖井内水深对耦联体系地震动响应的影响。景洪水力式升船机塔柱结构顶部X向位移极值随竖井内水深变化关系见说明书附图35。随着竖井内水深增加，塔柱结构顶部X向位移极值逐渐增大，且呈现出一定的非线性，当竖井水深为43m时，塔柱结构顶部X向位移极值也达到最大，其最大值为91.96mm，较仅塔柱结构X向位移极值增大了7.52％。可以看出，竖井内水深最大(此时承船厢位于最下方位置)时为景洪水力式升船机塔柱结构耦联体系地震作用下最不利运行工况，与概化模型计算结果一致。
另外，升船机塔柱结构X向位移极值数值模拟结果随塔身高度变化关系的对比情况如说明书附图36所示。与仅塔柱结构计算结果规律相似，随着塔身高度增加，塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系工况1下塔柱结构X向位移极值逐渐增大。相同高度下，塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系工况1计算结果比仅塔柱结构计算结果偏大，且随着塔身高度增加，偏差越来越大。因此，对于景洪水力式升船机，其竖井内水体和塔柱结构的流固耦合作用不容忽视。
Claims (5)
1.一种升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)基于水力式升船机塔柱结构，分别建立三维水力式升船机塔柱-浮筒-水体耦联体系、塔柱-乘船厢-水体耦联体系、塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系和塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系有限元概化模型；
(2)针对塔柱-浮筒-水体耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对竖井内不同水深工况下耦联体系进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，得到竖井内水深对塔柱结构地震动响应的影响规律；
(3)针对塔柱-乘船厢-水体耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对承船厢不同位置工况下耦联体系进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，得到乘船厢和厢内水体对塔柱结构地震动响应的影响规律；
(4)根据步骤(2)和步骤(3)得到地震动响应分析结果，确定塔柱-浮筒-承船厢-水体耦联体系最不利运行工况，针对最不利工况下塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系和塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系有限元概化模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对该工况下两种耦联体系分别进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，得到地震作用下水体和塔柱结构之间流固耦合作用对地震动响应的分析的影响；
(5)基于景洪水力式升船机塔柱结构，建立竖井内不同水深运行工况下三维景洪水力式升船机塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系有限元模型；
(6)针对步骤(5)建立的景洪水力式升船机塔柱-浮筒-乘船厢-水体耦联体系有限元模型，基于ADINA有限软分析软件，并结合通过升船机塔柱结构设计反应谱生成的水平向和竖直向加速度波，采用封闭的振动体系，对竖井内不同水深工况下耦联体系进行动力计算，通过对升船机塔柱结构横河向位移极值计算结果对比分析，得到竖井内水体和承船厢位置对塔柱结构动力响应的影响规律，并将得出的规律与概化模型得出的规律进行相互印证，验证概化模型计算规律的正确性；其中，竖井内不同水深工况为竖井内水深变化乘船厢位置相应会发生变化。
2.根据权利要求1所述的一种升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中基于ADINA有限元分析软件建立概化模型，模型以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个塔柱，两侧塔柱内部各布置一个装有浮筒的方形竖井，两侧塔柱结构中间空腔为升船机承船厢的运行空间，两侧塔柱顶部由联系梁相连，底部由底板相连；浮筒为方形，由4根钢丝绳悬吊，承船厢为矩形箱式结构，由8根钢丝绳悬吊，塔柱顶部采用矩形块来近似模拟水力式升船机卷筒；承船厢和竖井内的水体采用势流体单元进行模拟，钢丝绳采用杆单元进行模拟，其余的均采用三维实体单元来模拟。
3.根据权利要求1所述的一种升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，其特征在于，所述步骤(4)中对塔柱-浮筒-乘船厢耦联体系进行动力计算时，竖井内和承船厢内水体的作用采用静水压力的形式施加。
4.根据权利要求1所述的一种升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，其特征在于，所述步骤(5)中基于ADINA有限元分析软件建立有限元模型，模型以升船机中心线为轴线，左右对称布置了两个宽11.6m的塔柱，两侧塔柱内部各布置8个装有浮筒的圆形竖井，两侧塔柱结构中间空腔为升船机承船厢的运行空间，两侧塔柱顶部由10根联系梁相连，底部由底板相连；浮筒为圆形，由2根钢丝绳悬吊，承船厢为矩形箱式结构，由48根钢丝绳悬吊，塔柱顶部采用矩形块来近似模拟水力式升船机卷筒；承船厢和竖井内的水体采用势流体单元进行模拟，钢丝绳采用杆单元进行模拟，其余的均采用三维实体单元来模拟。
5.根据权利要求2和3任一所述的一种升船机塔柱结构耦联体系流固耦合地震动响应分析方法，其特征在于，所述步骤(1)和步骤(5)建立的模型中，水体与结构接触的边界设置为流固耦合边界，具体为：
式中，Γfs—流固耦合面；
—分别为流固耦合面上固体的速度和流体的速度；
—分别为流固耦合面上固体的表面应力和流体的表面应力；
同时水体表面设置为自由表面，塔柱结构底部施加固定约束，沿顺河向方向塔柱结构两侧面施加法向位移约束，使模型仅在横河向和竖直向方向发生运动，浮筒、承船厢和塔柱结构之间设置水平方向的位移协调约束方程，使浮筒顶部、承船厢和塔柱结构之间在水平方向不发生相对位移，而在竖直向则保持各自的运动。
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