[发明专利]一种复杂水工建筑物局部结构自振频率计算方法

说明书

本发明涉及一种复杂水工建筑物局部结构自振频率计算方法。本发明既能高精度模拟局部单体结构的实际刚度，又能高精度模拟其振型的实际参与质量，可大幅提高复杂水工建筑物局部结构自振频率求解精度，利用本发明进行复杂水工建筑物动力设计可避免产生剧烈振动和共振，保证水工建筑物自身安全、仪器设备安全和工作人员健康安全，具有重大的潜在经济效益、社会效益和环境效益。

技术领域

本发明涉及水工建筑物技术领域，具体涉及一种复杂水工建筑物局部结构自振频率计算方法。

背景技术

对于求解复杂水工建筑物的局部单体结构自振频率，第一种方法是对复杂水工建筑物整体结构的自振频率进行求解。该方法将整体结构所有节点的刚度矩阵和质量矩阵统一求解方程组，得到整体结构与各局部结构的自振频率与振型，其求解方法比较简单而被普遍用于求解大坝的自振特性与振型。但是，对于复杂水工建筑物，该方法往往无法有效求解。以大型水电站厂房为例：一般电站的各厂房段相邻，边界条件的选取对厂房整体结构自振频率影响较大，且在机组运行时厂房不会引起厂房整体结构产生强烈振动，而是局部结构强烈振动。因此，求解单个机组段厂房整体结构的自振频率与振型对于振动等问题无实际工程意义，而是应该精确分析局部结构的自振频率和振型。但是，由于大型电站厂房结构的复杂性，各局部结构(如立柱、楼板等)的振型因结构特性往往相互耦合，从振型上很难辨别某一频率属于哪个局部结构的自振频率。因此，该方法不适于求解复杂水工建筑物的自振频率与振型。

第二种方法是把复杂水工建筑物中需要求解的局部单体结构独立出来建模并求解，因此这种方法不仅建模简便，且求解规模较小。但该方法的缺点为：独立局部单体结构模型的约束条件(即局部单体结构的刚度)很难与整体模型中局部单体结构的约束条件一致，甚至相差甚远。仍以大型水电站厂房的立柱为例，若在立柱两端施加固定约束，由于其约束刚度比在整体结构中立柱所受的约束刚度要大得多，因此其计算所得的频率比实际频率要高 50％以上。若立柱两端采用简支约束，其约束刚度比在整体结构中立柱所受的约束刚度要小不少，因此其计算所得的频率比实际频率要低30％以上。独立局部单体结构模型的振型参与质量比整体模型中局部单体结构的振型参与质量偏小。从厂房结构独立出来的立柱有限元模型，求解其频率和振型时未考虑两端参与约束的楼的质量，因此其振型的参与质量偏小。因此第二种方法对于求解复杂水工建筑物中局部单体结构的自振频率往往带来较大误差，甚至是错误结果。

第三种方法是参考求解无质量地基的大坝自振频率的方法，在复杂整体结构中求解局部单体结构自振频率。仍以水电站厂房结构为例，该方法的优点是能有效模拟立柱P1(如图4所示)两端的实际刚度，因此该方法得出的计算结果精度较方法二有了较大进步。但该方法的缺点为：求解立柱P1的频率和振型时未考虑两端参与约束的楼的质量，其振型的参与质量偏小，因此采用该方法计算出的自振频率往往偏大，偏大比例甚至超过30％。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种复杂水工建筑物局部结构自振频率计算方法，解决复杂水工建筑物的局部单体结构自振频率计算结果不准确的问题。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种复杂水工建筑物局部结构自振频率计算方法，包括以下步骤：

S1、创建水工建筑物的三维CAD模型；

S2、对待求解的局部结构赋予材料属性，并将其余结构的弹性模量和泊松比按实际参数赋值，但密度值赋为0；

S3、将三维CAD模型通过四面体单元或六面体单元划分为若干有限元网格；

S4、为三维CAD模型施加粘弹性边界条件；

S5、通过有限元法计算局部结构的第一阶自振频率f₁；

S6、选择与已赋密度结构相邻部位的有限元网格，并按该部位的实际密度赋值；

S7、通过有限元法计算步骤S6条件下局部结构的第一阶自振频率f₂；