CN111027263B - 动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法:(1)确定待分析的多柱式结构的尺寸和形状,以及多柱式结构拟近似的n个单柱式结构尺寸;(2)计算多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力和拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力,选取多柱式结构的唯一近似单柱式结构尺寸;(3)给出多柱式结构的动水压力中的惯性力成分表达式;(4)对多柱式结构的动水压力进行拟合,求得单位高度多柱式结构的附加质量系数和动水压力中的惯性力成分引起的多柱式结构的附加质量;(5)可靠性验证。本发明简化了多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力计算方法,为计算结构在地震载荷作用下的动力响应提供依据。

Description

动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法
技术领域
本发明涉及海洋结构物动水压力分析,特别涉及一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法。
背景技术
水中结构的抗震分析不同于陆地结构抗震分析,其在地震载荷作用下受力更为复杂。尤其是,水中结构物在地震作用下产生流体和结构的相互作用的问题。地震载荷引起结构物的振动,结构物周围的流体在地基和结构运动的带动下产生振动,从而形成了复杂的相互作用问题。对于固定在水中的大尺度结构物而言,主要存在两类问题:辐射问题和绕射问题。辐射问题是指结构物在流体中运动产生的辐射运动载荷;绕射问题是指结构物存在引起的流场运动形式的改变,产生的绕射载荷。这两类运动都会在结构物表面产生附加力称为动水压力。
很多学者研究水中固定式直立规则结构物的动水压力解析解,例如圆柱,椭圆柱结构在地震载荷作用下的解析解。然后对于形状不规则的水中固定式直立结构物,其动水压力求解相当复杂,目前主要应用有限元方法求解作用在结构物上的动水压力。动水压力对结构的作用方式广泛采用附加质量法,将动水压力以附加质量或者荷载的形式施加在结构上,表示参与结构地震振动的有效水体质量。该方法忽略了结构对水的影响,分析模型中没有流场的存在,计算量相对较小,广泛应用于深水桥梁研究中。众多研究表明,在研究水体和结构相互作用方面,附加质量法具有简便、有效的优势。然而关于水中多柱结构的动水压力附加质量系数的确定方式尚缺少相关的研究。
发明内容
本发明的目的是解决了多柱式水中结构物动水压力分析局限性,提出一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法。本发明简化了多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力计算方法,为计算结构在地震载荷作用下的动力响应提供依据。
本发明所采用的技术方案是:一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,包括以下步骤:
步骤1,确定待分析的多柱式结构的尺寸和形状,以及多柱式结构拟近似的n个单柱式结构尺寸;
步骤2,基于计算流体动力学数值分析方法,分别建立多柱式结构计算流体动力模型和拟近似的n个单柱式结构计算流体动力模型,计算多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力F(t)和拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t),i=1,2,…,n,根据计算结果选取多柱式结构的唯一近似单柱式结构尺寸;
步骤3,基于唯一近似单柱式结构的动水压力中的惯性力成分表达式,给出多柱式结构的动水压力中的惯性力成分表达式;
步骤4,结合出多柱式结构的动水压力中的惯性力成分表达式,对多柱式结构的动水压力F(t)进行拟合,求得单位高度多柱式结构的附加质量系数和动水压力中的惯性力成分引起的多柱式结构的附加质量;
步骤5,验证步骤4求得的单位高度多柱式结构的附加质量系数的可靠性。
步骤1中,所述的n个单柱式结构尺寸的确定方法为:根据多柱式结构的外径,取多柱式结构外径60%~150%范围内的任意n个数值,分别作为拟近似的n个单柱式结构的直径。
步骤2中,所述的多柱式结构的唯一近似单柱式结构尺寸选取方法为:根据计算结果统计多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力F(t)和拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t)的统计值,并将拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t)的统计值与多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力F(t)的统计值进行对比,选取Fi′(t)的统计值与F(t)的统计值相差最少的单柱式结构计算流体动力模型所对应的单柱式结构尺寸,作为多柱式结构的唯一近似单柱式结构尺寸。
步骤3进一步包括:
基于MacCamy-Fuchs的绕射理论,唯一近似单柱式结构的动水压力中的惯性力成分表达式为:
式中,F′为唯一近似单柱式结构的动水压力中的惯性力成分;ρ为流体密度;C′a为单位高度唯一近似单柱式结构的附加质量系数;为地震加速度;V′为单位高度唯一近似单柱式结构所占的体积,即唯一近似单柱式结构的截面积;
多柱式结构的动水压力中的惯性力成分表达式为:
式中,F为多柱式结构的动水压力中的惯性力成分;ρ为流体密度;Ca为单位高度多柱式结构的附加质量系数;为地震加速度;V为多柱式结构的近似截面积,采用公式(3)计算得到:
式中,D′为多柱式结构的唯一近似单柱式结构的直径。
步骤4进一步包括:
采用最小二乘拟合方法对多柱式结构的动水压力F(t)进行拟合:
式中,F(t)为步骤2计算得到的多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力;F为多柱式结构的动水压力中的惯性力成分;Ca为单位高度多柱式结构的附加质量系数;T表示时长;
根据公式(5)计算单位高度多柱式结构的附加质量系数Ca
式中,ρ为流体密度;为地震加速度;V为多柱式结构的近似截面积;
根据公式(6)计算动水压力中的惯性力成分引起的多柱式结构的附加质量Ma
Ma=ρVCa (6)
步骤5进一步包括:
步骤5-1,将步骤4求得的单位高度多柱式结构的附加质量系数代入步骤3中的多柱式结构的动水压力中的惯性力成分表达式,求得多柱式结构的动水压力中的惯性力成分;
步骤5-2,根据公式(7)计算步骤5-1求得的多柱式结构的动水压力中的惯性力成分占步骤2计算得到的多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力F(t)的比值:
若比值在设定范围内,则,求得的单位高度多柱式结构的附加质量系数可靠。
步骤5-2中,所述的设定范围为0.9~1.0。
本发明的有益效果是:
1、本发明的一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,可以准确模拟计算地震载荷作用下多柱式结构物受到的动水压力,解决了多柱式结构物地震载荷动水压力模拟的难题;
2、本发明的一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,基于CFD分析方法针对特定的地震时程进行动水压力分析,根据模拟条件不同,得到对应的动水压力附加质量系数,准确度高;
3、本发明的一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,基于CFD分析方法针对多柱式结构的截面形状,选取不同尺寸的圆截面进行分析,根据计算结果得到动水压力最为接近的圆截面尺寸,模拟精度高,具有较高的准确性;
4、本发明的一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,适用于多种形状接近与圆形的多边形,多瓣形结构的动水压力分析,通用性强;
5、本发明的一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,可以将分析得到的动水压力系数用于地震响应分析中,以附加质量的形式施加在结构物上,无需建立复杂的流固耦合模型,分析模型中没有流场的存在,计算量小;
6、一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,适用于多柱形或多边形水中固定,直立结构的动水压力分析,对于结构物抗震分析具有较高的精度,计算速度快,调整方便。
附图说明
图1:本发明动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法流程图;
图2a:多柱式结构的截面形状及其近似的单柱式结构的截面形状示意图;
图2b:多柱式结构及其近似的单柱式结构示意图;
图3:多柱式结构和单柱式结构动水压力对比。
附图标注:1、多柱式结构;2、唯一近似单柱式结构;3、水底。
具体实施方式
为能进一步了解本发明的发明内容、特点及功效,兹例举以下实施例,并配合附图详细说明如下:
本发明根据多柱式结构1的特点,研究结构的地震动水压力,并得到多柱式结构1的附加质量系数。
本发明基于海洋工程结构动力学,提出一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,实现多柱形结构物动水压力分析的目的。针对多柱式结构物在地震载荷作用下的动水压力问题,通过数值分析和理论公式相结合的方式,确定动水压力作用下多柱式结构附加质量系数。对准确模拟多柱式结构物在地震载荷作用下的动水压力以及结构物地震响应具有参考重要意义。
如附图1所示,一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,包括以下步骤:
步骤1,多柱式结构1直立固定于水底3,多柱式结构1的动水压力分析方法由数值模拟和简化分析两部分组成。
步骤2,确定待分析的多柱式结构1的尺寸和形状,以及多柱式结构1拟近似的n个单柱式结构尺寸。根据多柱式结构1的外径,取多柱式结构1外径60%~150%范围内的任意n个数值,分别作为拟近似的n个单柱式结构的直径。图2a给出多柱式结构1的截面形状及其近似的单柱式结构的截面形状示意;图2b给出多柱式结构1坐于水底3及其近似的单柱式结构坐于水底3示意;图2a和图2b中,D为多柱式结构1外径,D′为唯一近似单柱式结构2的直径,h为吃水,
步骤3,基于计算流体动力学(CFD)数值分析方法,分别建立多柱式结构1计算流体动力模型和拟近似的n个单柱式结构计算流体动力模型,在CFD中输入地震速度ue,计算多柱式结构1在地震载荷作用下的动水压力F(t)和拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t),i=1,2,…,n,根据计算结果统计多柱式结构1在地震载荷作用下的动水压力F(t)和拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t)的统计值,并将拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t)的统计值与多柱式结构1在地震载荷作用下的动水压力F(t)的统计值进行对比,选取Fi′(t)的统计值与F(t)的统计值相差最少的单柱式结构计算流体动力模型所对应的单柱式结构尺寸,作为多柱式结构1的唯一近似单柱式结构2尺寸。如图2a和图2b所示,以六柱式结构为例,六柱式结构的唯一近似单柱式结构2的直径等于六柱式结构的外径。图3给出多柱式结构1在地震载荷作用下的动水压力F(t)和唯一近似单柱式结构2在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t)。
步骤4,基于唯一近似单柱式结构2的动水压力中的惯性力成分表达式,给出多柱式结构1的动水压力中的惯性力成分表达式。
单柱式结构在地震载荷作用下的总动水压力中,惯性力为主导成分,阻尼力成分很低。基于MacCamy-Fuchs的绕射理论,将作用在固定在水底3的大尺度单柱式结构的动水压力中的惯性力成分写成如下表达式:
式中,F′为唯一近似单柱式结构2的动水压力中的惯性力成分;ρ为流体密度;C′a为单位高度唯一近似单柱式结构2的附加质量系数;为地震加速度;V′为单位高度的唯一近似单柱式结构2所占的体积,即唯一近似单柱式结构2的截面积。
但是,MacCamy-Fuchs的绕射理论及公式(1)仅适用于单柱式结构。因此,将多柱式结构1近似成单柱式结构,取计算得到的唯一近似单柱式结构2的直径D′为多柱式结构1物的近似直径,唯一近似单柱式结构2的截面积为多柱式结构1的近似截面积。于是,根据单柱式结构的动水压力中的惯性力表达式,多柱式结构1的动水压力中的惯性力成分写成如下表达式:
式中,F为多柱式结构1的动水压力中的惯性力成分;ρ为流体密度;Ca为单位高度多柱式结构1的附加质量系数;为地震加速度;V为多柱式结构1的近似截面积,采用公式(3)计算得到:
式中,D′为多柱式结构1的唯一近似单柱式结构2的直径。
步骤5,结合出多柱式结构1的动水压力中的惯性力成分表达式(公式(2)),对多柱式结构1的动水压力F(t)进行拟合,求得单位高度多柱式结构1的附加质量系数和动水压力中的惯性力成分引起的多柱式结构1的附加质量。
已知公式(2)中的ρ、和V,采用最小二乘拟合方法进行拟合,求解公式(2)中的Ca。最小二乘拟合方法的表达式如下:
式中,F(t)为步骤2计算得到的多柱式结构1在地震载荷作用下的动水压力;F为多柱式结构1的动水压力中的惯性力成分;Ca为单位高度多柱式结构1的附加质量系数;T表示时长。
根据公式(5)计算单位高度多柱式结构1的附加质量系数Ca
根据公式(6)计算动水压力中的惯性力成分引起的多柱式结构1的附加质量Ma
Ma=ρVCa (6)
步骤5,验证步骤4求得的单位高度多柱式结构1的附加质量系数的可靠性。
步骤5-1,至此,确定公式(2)中的所有参数,将步骤4求得的单位高度多柱式结构1的附加质量系数代入步骤3中的多柱式结构1的动水压力中的惯性力成分表达式(公式(2)),求得多柱式结构1的动水压力中的惯性力成分。
步骤5-2,根据公式(7)计算步骤5-1求得的多柱式结构的动水压力中的惯性力成分占步骤2计算得到的多柱式结构在地震载荷作用下的动水压力F(t)的比值:
若比值在0.9~1.0(包括0.9和1.0)的设定范围内,则,认为多柱式结构1的动水压力中的惯性力占主导成分,求得的单位高度多柱式结构1的附加质量系数可靠,可采用公式(2)近似表达多柱式结构1的动水压力(步骤3求得的多柱式结构1在地震载荷作用下的动水压力F(t)是一系列的时程数);若比值不在0.9~1.0(包括0.9和1.0)的设定范围内,本发明计算得到的单位高度多柱式结构1的附加质量系数精度不足。
尽管上面结合附图对本发明的优选实施例进行了描述,但是本发明并不局限于上述的具体实施方式,上述的具体实施方式仅仅是示意性的,并不是限制性的,本领域的普通技术人员在本发明的启示下,在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下,还可以做出很多形式,这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,其特征在于,包括以下步骤:
步骤1,确定待分析的多柱式结构(1)的尺寸和形状,以及多柱式结构(1)拟近似的n个单柱式结构尺寸;
步骤2,基于计算流体动力学数值分析方法,分别建立多柱式结构(1)计算流体动力模型和拟近似的n个单柱式结构计算流体动力模型,计算多柱式结构(1)在地震载荷作用下的动水压力F(t)和拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t),i=1,2,…,n,根据计算结果选取多柱式结构(1)的唯一近似单柱式结构(2)尺寸;
其中,所述的多柱式结构(1)的唯一近似单柱式结构(2)尺寸选取方法为:根据计算结果统计多柱式结构(1)在地震载荷作用下的动水压力F(t)和拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t)的统计值,并将拟近似的n个单柱式结构在地震载荷作用下的动水压力Fi′(t)的统计值与多柱式结构(1)在地震载荷作用下的动水压力F(t)的统计值进行对比,选取Fi′(t)的统计值与F(t)的统计值相差最少的单柱式结构计算流体动力模型所对应的单柱式结构尺寸,作为多柱式结构(1)的唯一近似单柱式结构(2)尺寸;
步骤3,基于唯一近似单柱式结构(2)的动水压力中的惯性力成分表达式,给出多柱式结构(1)的动水压力中的惯性力成分表达式,包括:
基于MacCamy-Fuchs的绕射理论,唯一近似单柱式结构(2)的动水压力中的惯性力成分表达式为:
式中,F′为唯一近似单柱式结构(2)的动水压力中的惯性力成分;ρ为流体密度;C′a为单位高度唯一近似单柱式结构(2)的附加质量系数;为地震加速度;V′为单位高度唯一近似单柱式结构(2)所占的体积,即唯一近似单柱式结构(2)的截面积;
多柱式结构(1)的动水压力中的惯性力成分表达式为:
式中,F为多柱式结构(1)的动水压力中的惯性力成分;ρ为流体密度;Ca为单位高度多柱式结构(1)的附加质量系数;为地震加速度;V为多柱式结构(1)的近似截面积,采用公式(3)计算得到:
式中,D′为多柱式结构(1)的唯一近似单柱式结构(2)的直径;
步骤4,结合出多柱式结构(1)的动水压力中的惯性力成分表达式,对多柱式结构(1)的动水压力F(t)进行拟合,求得单位高度多柱式结构(1)的附加质量系数和动水压力中的惯性力成分引起的多柱式结构(1)的附加质量,包括:
采用最小二乘拟合方法对多柱式结构(1)的动水压力F(t)进行拟合:
式中,F(t)为步骤2计算得到的多柱式结构(1)在地震载荷作用下的动水压力;F为多柱式结构(1)的动水压力中的惯性力成分;Ca为单位高度多柱式结构(1)的附加质量系数;T表示时长;
根据公式(5)计算单位高度多柱式结构(1)的附加质量系数Ca
式中,ρ为流体密度;为地震加速度;V为多柱式结构(1)的近似截面积;
根据公式(6)计算动水压力中的惯性力成分引起的多柱式结构(1)的附加质量Ma
Ma=ρVCa (6)
步骤5,验证步骤4求得的单位高度多柱式结构(1)的附加质量系数的可靠性。
2.根据权利要求1所述的一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,其特征在于,步骤1中,所述的n个单柱式结构尺寸的确定方法为:根据多柱式结构(1)的外径,取多柱式结构(1)外径60%~150%范围内的任意n个数值,分别作为拟近似的n个单柱式结构的直径。
3.根据权利要求1所述的一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,其特征在于,步骤5进一步包括:
步骤5-1,将步骤4求得的单位高度多柱式结构(1)的附加质量系数代入步骤3中的多柱式结构(1)的动水压力中的惯性力成分表达式,求得多柱式结构(1)的动水压力中的惯性力成分;
步骤5-2,根据公式(7)计算步骤5-1求得的多柱式结构(1)的动水压力中的惯性力成分占步骤2计算得到的多柱式结构(1)在地震载荷作用下的动水压力F(t)的比值:
若比值在设定范围内,则,求得的单位高度多柱式结构(1)的附加质量系数可靠。
4.根据权利要求3所述的一种动水压力作用下多柱式结构附加质量系数的确定方法,其特征在于,步骤5-2中,所述的设定范围为0.9~1.0。
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