跨活斷層地面引水鋼管振動模型與管-水耦聯(lián)機(jī)制研究

跨流域調(diào)水是解決地區(qū)性水資源短缺的有效途徑之一，而調(diào)水工程的管道安全問題至關(guān)重要。調(diào)水工程通常需要穿越水資源豐富的西南地區(qū)，大型活動斷裂是工程常遇到的地質(zhì)難題，也是管道安全的隱患。一般調(diào)水工程輸水管道管徑大，管壁薄，管內(nèi)水體質(zhì)量巨大，水體以及管-水相互作用的模擬是準(zhǔn)確評價結(jié)構(gòu)抗震安全性的重要前提之一。本項目在認(rèn)真總結(jié)與歸納現(xiàn)有文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，圍繞著鋼管和水體間的動力相互作用展開研究，主要內(nèi)容包括：（1）考慮管-水相互作用的振動模型；（2）管-水耦聯(lián)振動機(jī)制；（3）地震作用下動水壓力。 在考慮管-水相互作用的振動模型研究中，主要圍繞著水體的模擬方法，靜水壓力的影響等展開。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果，并與模型試驗結(jié)果比對，發(fā)現(xiàn)水體質(zhì)量對薄壁管道的振動頻率影響十分明顯，在簡化計算時采用附加質(zhì)量模型是可行的；如果考慮流固耦合模態(tài)，采用聲流體單元進(jìn)行直接耦合分析，結(jié)合預(yù)應(yīng)力方法，能同時考慮水體質(zhì)量和壓力的影響，并且計算簡單，避免了復(fù)雜流體計算，是可以優(yōu)先考慮的方法，在工程領(lǐng)域具有推廣價值。 在管-水耦聯(lián)機(jī)制的研究中，主要圍繞著水體壓力、流速、管道壁厚、管徑等因素對管道自振特性的影響展開。研究表明管-水耦合振動其關(guān)鍵在于管壁的變形，變形的主要影響因素是靜水壓力和鋼管的剛度，水體流速的影響可以忽略；靜水壓力使管道徑向膨脹影響周向模態(tài)，并產(chǎn)生應(yīng)力剛化效應(yīng)增加結(jié)構(gòu)剛度；管道本身徑向剛度較大，以梁式振動為主時，管-水耦合作用可以忽略，否則需考慮管-水耦合作用。該結(jié)論為管-液系統(tǒng)在振動研究中是否考慮流固耦合作用提供參考。 地震作用下動水壓力的研究中，主要圍繞簡諧激勵下動水壓力分布規(guī)律、地震作用下不同管道結(jié)構(gòu)動水壓力及結(jié)構(gòu)響應(yīng)展開。研究表明動水壓力產(chǎn)生的機(jī)制在于水體受到管道的限制而隨管道運(yùn)動，以及管壁發(fā)生變形產(chǎn)生的局部相對運(yùn)動；兩種運(yùn)動均產(chǎn)生動水壓力，前者的頻率與激振頻率相同，數(shù)值與管徑成正比，后者與管道的自振頻率相關(guān)，數(shù)值也與管徑相關(guān)；管道內(nèi)動水壓力的數(shù)值與水電站壓力管道承受的靜水壓力相比較小，對結(jié)構(gòu)影響有限，簡化計算時可以忽略或采用附加質(zhì)量法近似考慮。該結(jié)論為水電工程引水系統(tǒng)抗震分析中考慮流固耦合作用提供了一個可以推廣的解決方案。

跨活斷層是大型引調(diào)水工程常見的地質(zhì)難題，約束小、柔性大、管內(nèi)水體質(zhì)量大是跨活斷層引水鋼管的突出特點(diǎn)，為管道抗震安全帶來隱患。本項目擬圍繞著地震作用下跨斷層鋼管和水體間的相互作用機(jī)理展開研究：理論分析薄壁管殼的變形機(jī)制，結(jié)合模型試驗、現(xiàn)場測試和數(shù)值模擬方法，分析殼式變形和管內(nèi)有壓水體對管道振動特性影響，建立管體（管道-水體）振動模型；引入任意拉格朗日-歐拉（ALE）法描述管道和水體的牽連運(yùn)動及相對運(yùn)動，將動水壓力分解為對流壓力、剛性脈動壓力和柔性脈動壓力，建立地震激勵下管-水動力耦合理論模型；采用有限單元法模擬管道和水體的地震響應(yīng)，綜合分析管道的振動變形特征，建立地震動水壓力的數(shù)學(xué)模型，研究地震激勵下管-水耦聯(lián)機(jī)制。研究成果可為跨活斷層引水鋼管的抗震問題提供理論和技術(shù)支撐。

江蘇省地震工程研究院 活斷層中心主要職責(zé)：

負(fù)責(zé)城市活動斷層探測及地震危險性評價

負(fù)責(zé)CAD技術(shù)、GIS信息技術(shù)的研究、開發(fā)與應(yīng)用。

負(fù)責(zé)工程及設(shè)備的隔震、減震技術(shù)的研究、推廣與應(yīng)用。

負(fù)責(zé)水域地球物理勘探

該書是中國全面開展“城市活斷層探測”試點(diǎn)項目的技術(shù)方法和理論總結(jié)，融合了城市活斷層探測與地震危險性評價技術(shù)成果的前沿知識，具有創(chuàng)新性和系統(tǒng)性。內(nèi)容包括城市活斷層試驗探測，活斷層定年和定位、深部構(gòu)造環(huán)境探測、地震危險性評價和危害性預(yù)測等，是全面反映我國城市活斷層探測理論、方法和應(yīng)用的實(shí)例。 本書可供城市規(guī)劃部門、建設(shè)部門、地質(zhì)與地球物理勘探人員、工程勘查人員和有關(guān)院校的本科生和研究生參考。

《長春市活斷層探測與地震危險性評價》內(nèi)容簡介：地震是一種突發(fā)性的自然災(zāi)害，它會給人類社會帶來巨大的災(zāi)難。地震活斷層與中、強(qiáng)地震活動具有密切關(guān)系。城市地震災(zāi)害，主要是由位于城市之下的活斷層，突發(fā)性快速錯動導(dǎo)致發(fā)生直下型地震引起的。大量的震例表明，地震活斷層不僅是產(chǎn)生地震的根源，而且也是使地震破壞加重的主要原因。