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大开口高耸薄壁圆筒结构动力特性与性能设计方法研究

盛朝晖  
【摘要】:大开口薄壁壳结构具有跨度大,自重轻,强度高,刚度较好等优点。但是由于此类结构和受力形式比较复杂,并且影响其动力特性的因素较多,尤其是地震作用下结构的动力响应存在诸多尚未解决的问题,使得对于大开口薄壁壳结构的抗震性能设计没有相应标准可循。 本文对有较大矩形开口的薄壁壳结构进行了考虑流固耦合与不考虑流固耦合现象的结构有限元动力反应分析,研究了在不同的激励波加速度峰值和不同输入方向的前提下,薄壁壳结构开口位置、数量以及液面高度等对结构动力响应的影响,明确了该结构的最不利激励波输入角度。提出了对该结构进行结构计算的拟静力简化计算方法。同时对以此为背景的某电厂大型脱硫塔结构做了1:15缩小比例的振动台模型试验,并对大开口薄壁壳结构的性能设计提出了建议。取得的主要研究成果如下: (1)基于对某电厂大型脱硫塔结构原型结构进行简化后的薄壁壳结构多角度激励波加载数值模拟分析,研究了大开口薄壁壳结构的动力响应,明确了各种激励波作用下的结构加速度、结构顶部位移分布规律和结构的激励波最不利输入角度,推导出复杂薄壁壳结构的拟静力简化计算模式。 (2)对某电厂大型脱硫塔结构开展了室内模拟地震的振动台模型试验,通过多角度,多激励波类型等参数的改变,明确了大开口薄壁壳结构的最不利激励波输入方向,验证了数值模拟计算的结果,为大开口薄壁壳结构的设计计算提供了大量合理并且有效的试验数据。 (3)鉴于考虑结构-液体相互作用的重要性,明确了液体与结构相互作用下开口薄壁壳结构的加速度、顶部位移分布规律,以及不同液面高度等参数的变化对大开口薄壁壳结构动力反应的影响机理。通过研究大开口薄壁结构底部翘离现象,明确了由于结构内部的液体以附加质量的形式作用于薄壁壳结构,会在结构底部产生相应的附加倾覆弯矩,使得“壳振动”随着液体高度的增加而趋于严重。 (4)探讨了大开口薄壁壳结构抗震性能设计模式,并综合本文的研究成果,对该类结构的性能设计问题提出了一些经济合理、简便易行的性能设计方法,以强化该类结构抗震性能多极化设计的理念。


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