第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
1.1.1 问题的提出及研究意义
我国水资源十分丰富，但是水资源在空间上分布不均匀且我国是人口大国，
所以平均人口水资源稀缺，加上近几年来我国的城乡问题的凸显，所以对具有跨流域水资源重新分配的大型调水工程的需求就显得尤其迫切。为了能更好的解决以上问题，水利事业在国家的支持下得到了快速发展，跨流域、长距离的调水工程修建数量逐渐增加。其中具有代表性的工程有：京密引水渠工程、香港的东深供水一期工程、引青济秦工程等[1]。
倒虹吸结构作为一种立交水工建筑物而被广泛的应用于调水工程之中。倒虹吸管是水利工程重要的输水建筑物，在跨越河道、公路、铁路等障碍物时起到衔接上下游渠道的重要作用。在水利工程建设中，管桥式倒虹吸运用于输水渠道跨越阻碍物（如：河流、洼地、山谷等）[2]。近年来，我国水利事业迅猛发展，对大跨度、大管径的倒虹吸管道需求量越来越大。斜拉倒虹吸管桥的跨越能力大、结构受力简单明确、设计施工较为成熟是大型跨越倒虹吸管道桥的主要型式之一。
本文根据实际工程地区：冻胀严重的高寒地区、腐蚀严重的盐渍土地区、植被稀少且地质恶劣的地区。在上述地质条件下建设桥式倒虹吸时，对地基处理比较困难复杂，如果开挖量过大将会破坏植被影响生态，因此我们对桥式倒虹吸结构提出了一种适应和保护环境并具有一定的输水能力且结构美观，造价合理等的综合要求的结构－独塔斜拉倒虹吸管结构。
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1.2 国内外研究现状
由于本文倒虹吸管桥结构为斜拉式管桥，水利上斜拉输水结构实例有限，但斜拉管桥在输送石油，天然气工程中运用实例较多，且斜拉倒虹吸管结构是斜拉管桥结构中的一部分。本文将输送管桥结构归为一类，并进行总结。
1.2.1 管桥的发展现状
随着结构软件的发展与成熟，管桥结构的将会越来越多样化，按跨度穿越长度可以分为：小跨度穿越（L≤30m）、中等跨度穿越（L=30~100m）、大跨度穿越（L≥100m）。管桥的结构形式多样，各种结构形式的管桥各有特点，发展记叙较为详细的结构形式为：
（1）自承式平直管桥 当河流宽度较小（L≤30m）或河道中间可以打桩立墩时，一般采用自承式平直管桥。自承式平管布置根据具体工程需要有三种形式。该结构的优点是利用管道本身的结构强度富余进行跨越，其缺点是受制约条件较多[6]。
（2）桁架管桥
大中口径管道跨越中等跨度河流时采用梯形断面桁架管桥。桁架管桥跨越方式可以取得良好的工程与经济效果。桁架的常见断面形式有两种：一种是方形，方形断面形式简单，但钢构件用料较多，造型单一；另一种是三角形，三角形断面形式经济，但检修空间狭小，当预留足够检修空间时，断面尺寸较大，经受力分析，不适用于跨度较大情况。总的来说该结构的整体稳定性好且刚度大[7]。
桁架管桥在工程中常用两种方式：单跨桁架跨越；多跨连续桁架跨越。桁架管桥结构的优势：适合山区施工的特点，构件可分，不依赖大型施工设备，利于人力运输和安装；桁架结构刚度大，不需要特殊的支撑来保证管道的稳定性和就位；管桥的临时桥墩是用石头固定的，安装完成后，拆除桥墩，拆除的石块用于河道两侧的边坡防护，节省工程材料，降低工程成本[8]。
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第二章 独塔斜拉倒虹吸管计算分析理论
2.1 线性稳定分析
2.1.1 概述
独塔斜拉倒虹吸结构属于柔性结构，任何微小的变动对于拉索、主梁、主塔，都有可能使结构稳定性发生变化，对该结构进行稳定分析尤为重要。
线性稳定分析也叫特征值屈曲分析，在 Midas Civil 中，该分析通过提取特征值得到结构的临界失稳模态及荷载。由于该分析发生在无初始缺陷的理想状态下，它的荷载平衡路径如图 2.1 所示：
线性分析的特点：（1）第一类稳定问题具有简单明确的力学情况，特征值求解问题处理相对比较简单，与实际结构相对应的第二类稳定上限可以用其临界荷载近似地代表，该理论分析具有重要的意义[57]。（2）由于不考虑非线性和初始缺陷的影响，失稳载荷可能与实际情况有很大不同。许多实际结构在理论弹性屈曲强度下不发生屈曲，因为结构存在初始缺陷和非线性[58]，因此，特征屈曲分析往往导致非预留结构，这通常不适用于实际工程分析但失稳模态形状可用作非线性屈曲分析的初始几何缺陷。
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2.2 结构动力分析基本理论
结构设计中主要考虑静力荷载和动力荷载，随时间而改变大小、方向或者作用点的荷载叫做动力荷载。结构在动力荷载的作用下会产生随时间而改变的位移、内力、应力、应变。动力分析较为复杂，必须建立相应时程中感兴趣的全部时间的一系列解答。当惯性力与荷载的比值较大时就必须进行动力分析，惯性力的大小和惯性力随时间变化的，动力作用引起结构的震动。震动的产生有两种：① 结构本身固有原因引起；② 外界干扰引起。结构动力以工程结构的各种振动问题为研究对像，以要认识和了解工程结构的振动规律为研究目的，有效的减轻或者避免振动带来的危险与破坏。据此指导工程的设计实践和其他相关工作。
结构动力学研究的基本内容是结构在振动情况下的刚度、强度及稳定性。结构在动力荷载下的响应规律和结构的质量、刚度分布、能量耗散等有关。结构的动力特性包括三个方面：结构的自振频率；结构的阻尼，结构的振型。在相同的动力荷载作用下他们的动力响应（位移、强度、加速度等）的规律一样，则对于不同的结构它们的动力特性是相同的。
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第三章 独塔斜拉倒虹吸管数值模拟研究 ........................... 27
3.1 工程概况及技术标准 ................................. 28
3.1.1 自然条件概况 .................................... 28
3.1.2 物理地质现象 ................................ 28
第四章 独塔斜拉倒虹吸管的结构线性稳定分析 ..................................... 34
4.1 合理结构体系选定 ................................. 34
4.1.1 结构体系选型 .................................... 34
4.1.2 位移分析 .................................... 34
第五章 独塔斜拉倒虹吸管的抗震动力稳定分析 ..................................... 50
5.1 特征值分析 ........................................ 50
5.2 地震反应组合 ................................. 52
5.3 地震反应分析 ..................................... 52
第五章 独塔斜拉倒虹吸管的抗震动力稳定分析
5.1 特征值分析
在进行反应谱分析时必须先进性特征值分析，从特征值中分析出的有效振型进行组合。特征值分析中的分析控制根据规范《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）要求分析后振型参与质量达到 90％，否者就适当的添加频率数量重新进行分析达到要求才可进行抗震分析。
特征值分析方法有3种：子空间迭代法、Lanczos方法和多重Ritz向量法[67,68]。该结构运用 Midas Civil 程序中的特征值计算方法-多重 Ritz 向量法，多重 Ritz向量法借鉴了空间迭代法，采用多个初向量生成 Ritz 空间。该方法求出的是和激发荷载向量直接相关的振型。
初始荷载工况包括成桥状态下的静力荷载及沿整体坐标系 X、Y、Z 方向的地面加速度引起的惯性力和非线性连接单元的剪切内力。特征值分析计算出前24 阶的自振频率和振型，计算结果显示，X 方向的振型参与质量在第 11 阶模态达到了 91.07％，Y 方向的振型参与质量在第 12 阶模态达到了 90.60％，Z 方向的振型参与质量在第 23 阶模态达到了 92.61％，斜拉倒虹吸管的纵向（X）、横向（Y）、竖向（Z）的累积参与质量均大于 90％。从第 24 阶模态的振型参与质量可以判断 X、Y、Z 方向的可以获得结构动力反应的主要特征。结构的基本周期为 0.713723s。斜拉倒虹吸管成桥阶段特征值分析的各方向第一振型的特征值和模态如表 5.1 。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
（1）利用 Midas Civil 软件对独塔斜拉倒虹吸结构进行数值模拟研究，研究表明：
1）墩梁、塔梁固结的结构体系Ⅰ各方向的位移均较小，且和其他体系相比线性稳定系数最大 255.885，所以结构体系Ⅰ最为合理。
2）优化后的斜拉索采用 Φ5×30 根钢丝制作，模拟直径为 0.0274m，拉索的最大应力值为 578.14Mpa 小于 628Mpa 的拉索应力设计值。将原始的拉索设计直径为 0.021m 和优化后的拉索直径设计值 0.0274m 的 1 倍、1.2 倍、1.4 倍进行线性稳定比较，5阶模态后优化后的拉索结构的安全稳定系数超过了其他假设面积，证明了修改后的面积是合理的。
3）将温度荷载工况分别设置为+30℃、+20℃、+10℃、0℃、-10℃、-20℃，相应成桥状态下，倒虹吸管梁的轴向应力对应为压应力为 96.1MPa、71.9MPa、47.8MPa，压/拉应力为 23.6MPa/22.4MPa，拉应力为 47.8MPa、73.1MPa，主塔位移竖向最大值发生在柱顶上分别为 8.48mm、5.20mm、1.92mm、-1.36mm、-4.64mm、-7.91mm。相应的线性稳定系数逐渐升高。
4）在倒虹吸管梁与镇墩及主塔连接处均设置伸缩节的边界条件 4，不仅最大限度的提高了结构在高温时的线性稳定性，最大限度的保留了管梁受拉特性。
（2）对结构的抗震分析中设置 6 个工况：横桥向绝对值 X 工况、纵桥向绝对值 Y 工况、纵桥向绝对值 X 工况、震荷载工况组合 LCB1、震荷载工况组合LCB2、震荷载工况组合 LCB3，得出结论如下：
1）整体结构相应工况组合位移为 0.8276mm、1.939mm、1.483mm、0.9822mm、2.017mm、1.690mm。各工况破坏的主要位置是拉索锚固节点，所以该结构应该重视拉索锚固点抗震。
2）倒虹吸管梁相应工况最大组合应力为 1.18MPa、3.27MPa、2.82MPa、1.96MPa、3.44MPa、3.10MPa。结构的内力应力基本上集中在管梁与镇墩和主塔连接处，这三个地方是重点设置抗震消能的位置。
参考文献（略）