混凝土成层结构的流激振动特性.pdf

第 1 3卷第 3期 2 0 1 5年 6月 南水北调与 水利 科技 S o u t h - t o - No r t h Wa t e r T r a n s f e r s a n d Wa t e r S c i e n c e＆ Te c h n o l o g y Vo 1 ． 1 3 No ． 3 J u n ． 2 0 1 5 D OI 1 0 ． 1 3 4 7 6 ／ j ． mk i ． n s b d q k ． 2 0 1 5 ． 0 3 ． 0 1 7 混凝土成层 结构 的流激振 动特性 牛超 ， 杨敏 ， 李炳阳 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室， 天津 3 0 0 0 7 2 摘要 泄流激励 引起水工建筑物振 动的现象 时有 发生且形 式多样 ， 严重 的还可 能引起结构 的破坏 。对 于混凝 土成层 结构而言， 由振动引起破坏的案例不多， 对其振动响应机制的研究也不够深入。以混凝土拱坝为例， 通过数值计算 及模型试验对比分析了整体与成层两种不同结构在相同泄流荷载作用下结构的振动响应 ， 探讨了响应与结构 自身 的关系， 并结合“ 拍” 的概念 ， 对混凝土成层结构振动响应特性与泄流荷载之间的关系进行了研究。结果表明， 成层 结构频率相近的前两阶振动是拍振形成的主要原因。此外 ， 即使不满足拍振形成的条件， 振动曲线同样可以表现为 “ 拍” 的形式， 且振动量较受迫振动大幅增加， 实质为“ 水力共振” 现象。 关键词 泄流激励 ； 成层结构 ； 响应 机制 ； 拍振 ； 水 力共振 中图分类号 TV6 5 文献标志码 A 文章编号 1 6 7 2 1 6 8 3 2 0 1 5 0 3 0 4 7 6 0 6 Re s e a r c h o n f l o w- i n du c e d v i b r a t i o n c ha r a c t e r i s t i c s o f l a y e r e d c o n c r e t e s t r u c t u r e N】 U Clh a o ． YANG Mi n， LI Bi n g - y a n g S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hy d r a u l i c En g i n e e r i n g S i mu l a t i o n a n d s a f e t y ， Ti c mj i n U n i v e r s i t y， T t a n j i n 3 0 0 0 7 2 ， C h i n a Ab s t r a c t Vi b r a t i o n o f h y d r a u l i c s t r u c t u r e s c a u s e d b y f l o o d d i s c h a r g e e x c i t a t i o n o c c u r s f r e q u e n t l y a n d h a s d i f f e r e n t f o r ms ， a n d s e r i o u s v i b r a t i o n ma y l c a d t O s t r u c t u r a l d a ma g e ． F e w c a s e s o f d a ma g e c a u s e d b y v i b r a t i o n f o r 1 a y e r e d c o n c r e t e s t r u c t u r e s we r e p r e s e n t e d ， a n d t h e s t u d y o f v i b r a t i o n r e s p o n s e me c h a n i s m wa s n o t e n o u g h ． I n t h i s p a p e r ， t h e v i b r a t i o n r e s p o n s e s o f c o n c r e t e a r c h d a m wi t h t WO d i f f e r e n t s t r u c t u r e s ， i n c l u d i n g a wh o l e s t r u c t u r e a n d a l a y e r e d s t r u c t u r e ， u n d e r t h e s a me f l o w d i s c h a r g e c o n d i t i o n s we r e i n v e s t i g a t e d t h r o u g h t h e c o mp a r a t iv e a n a l y s i s o f n u me r i c a l c a l c u l a t i o n a n d mo d e l t e s t ． Th e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e s t r u c t u r e a n d v i b r a t i o n r e s p o n s e wa s a n a l y z e d ．F u r t h e r mo r e ， t h e r e l a t i o n s h i p b e t we e n t h e v i b r a t i o n r e s p o n s e o f l a y e r e d c o n c r e t e s t r u c t u r e a n d f l o w d i s c h a r g e wa s s t u d i e d i n c o n s i d e r a t i o n o f t h e” b e a t ”c o n c e p t ． Th e r e s u l t s s h o we d t h a t t h e b e a t v i b r a t io n i S ma i n l y c a u s e d b y t h e f i r s t t WO b a n d s o f v i b r a t i o n wi t h s i mi l a r f r e q u e n c y ． Al t h o u g h t h e c o n d i t i o n s f o r t h e f o r ma t i o n o f b e a t v i b r a t i o n ma y n o t e x i s t ， t h e v i b r a t i o n c u r v e c a n p r e s e n t t h e f o r m o f” b e a t ”， a n d t h e v i b r a t i o n q u a n t i t y i s mu c h l a r g e t h a n t h a t o f t h e f o r c e d v i b r a t i o n， wh i c h i n d i c a t e d t h a t t h i s i s a c t u a l l y t h e h y d r a u l i c r e s o n a n c e p h e n o me n o n ． Ke y wo r d s f l o w d i s c h a r g e e x c i t a t i o n ； l a y e r e d s t r u c t u r e ； r e s p o n s e me c h a n i s m ； b e a t v i b r a t i o n； h y d r a u l i c r e s o n a n c e 泄流诱发水工结构振动是一种复杂的流固相互作用现 象 ] 。在水利水 电工程 中， 由泄流 引起 水工建 筑物振 动 的现 象时有发生， 且形式多种多样。在复杂的水流激励荷载作用 下还有可能引起结构的剧烈振动， 甚至破坏。1 9 8 2年对乌江 渡水电站进行原型观测时发现左岸滑雪道式溢洪道右导墙存 在强烈的“ 拍振” 现象， 墙顶铁栏杆振动剧烈， 泄流量越大振动 越明显。1 9 7 8年 8月进一步观测时发现， 在闸门全开时， 导墙 的最大双倍振幅达 3 ． 1 1T l In ， 左导墙也出现了上下贯通缝。经 过专 门处理 ， 工程才得 以安全运行 ， 但花费巨大l_ 2 - 。 巨大的坝身泄洪量， 几千万乃至上亿瓦的泄洪功率， 给 泄洪消能以及水工建筑物的减振减蚀带来了巨大挑战。本 文结合模型试验及数值计算 ， 分析碾压混凝土成层结构在不 同幅频特性泄流激励作用下的振动特性， 及其在流激振动条 件下的振动响应机制。 1 结构流激振动机理及拍振 1 ． 1结构 流激振 动机 理 在泄流振动领域， 德国学者 Na u d a s c h e r _ 5 归纳了四种流 体诱发结构振动的形式， 即 外部诱发、 不稳定诱发 、 运动诱 收稿 日期 2 0 1 4 0 9 1 1 修 回日期 2 0 1 5 0 5 0 6 网络出版时间 2 0 1 5 0 5 1 3 网络 出版地址 h t t p ／ ／ e n k i ． n e t ／ k c ms ／ d e t a i l ／ 1 3 ． 1 3 3 4 ． TV． 2 0 1 5 0 5 1 3 ． 1 5 0 8 ． 0 0 3 ． h t ml 基金项 目 国家重点基础研究发展计划 9 7 3计划 2 0 1 3 C B 0 3 5 9 0 5 作者简 介 牛超 1 9 9 1 - ， 男 ， 山东菏泽人 ， 主要从事水工水力学研究 。E - ma i l n i u e h a o 1 2 2 1 6 3 ． c o rn 通讯作者 杨敏 1 9 5 6 一 ， 男 ， 吉林 长春人 ， 教授 ， 博士生导师 ， 主要从事水工水力学研究。E ma i l mi n y a n g 2 0 0 0 1 6 3 ． c o rn 4 7 6 试 验研究