考慮流固耦合下的渡槽地震分析

孔 麟，黃 磊

（西北電力設(shè)計(jì)院有限公司，西安 710075）

渡槽是調(diào)水、輸水的重要構(gòu)筑物之一，其結(jié)構(gòu)具有頂部質(zhì)量大的特點(diǎn)。地震時(shí)確保渡槽安全可靠也尤顯重要。一般情況，把渡槽內(nèi)的水體作為附加質(zhì)量，附加到槽體內(nèi)進(jìn)行地震反應(yīng)分析。該假定忽略了水體晃動(dòng)及水體與渡槽的相互作用，與實(shí)體工況存在一定的差異。本文結(jié)合某工程的渡槽，采用有限元程序進(jìn)行分析，分析時(shí)考慮水體晃動(dòng)，地震波沿渡槽長(zhǎng)度方向一致輸入和考慮行波效應(yīng)，波速采用不同的數(shù)值。計(jì)算地震時(shí)渡槽的應(yīng)力響應(yīng)。

1 工程情況及有限元模型

本文選取一段調(diào)水工程中的超長(zhǎng)典型渡槽結(jié)構(gòu)進(jìn)行地震反應(yīng)分析，渡槽跨度50 m，槽內(nèi)馬蹄形，渡槽端跨及跨中截面如圖1、圖2 所示，渡槽結(jié)構(gòu)及水體的有限元模型如圖3、圖4 所示。

圖1 渡槽端部截面

圖2 渡槽跨中的截面

圖3 結(jié)構(gòu)有限元模型

圖4 水體有限元模型

2 計(jì)算實(shí)例參數(shù)及地震波選取和輸入

2.1 計(jì)算實(shí)例參數(shù)

槽體材料為C60 砼，密度為2500 kg/m3，彈性模量為3.6×104MPa，泊松比為0.167；槽墩材料為C30 砼，密度為2500 kg/m3，彈性模量為3.0×104MPa，泊松比為0.167；水體密度為1000 kg/m3，黏性系數(shù)為μ=1.435×10-3Pa·s。

2.2 地震位移波的選取和輸入

本文選擇二類(lèi)場(chǎng)地類(lèi)別的El Centro 波和Taft波人工合成的位移波，波形圖如圖5、圖6 所示。地震波順槽輸入，分別考慮一致輸入和行波效應(yīng)，波速分別為50、100、200、300、400 m/s；槽內(nèi)水深高度分別為0、3.5、3.75、4、4.25、4.5 m。

圖5 El Centro 位移波形

圖6 Taft 位移波形

3 地震響應(yīng)應(yīng)力分析

渡槽內(nèi)水體在地震作用下會(huì)產(chǎn)生大幅晃動(dòng)，這種晃動(dòng)會(huì)直接影響渡槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布。表1—表4 分別給出地震波一致輸入和不同波速情況下，結(jié)構(gòu)在不同水深情況下跨中和端跨截面第一主應(yīng)力值。

表1 在不同El Centro 位移波波速激勵(lì)下跨中截面第一主應(yīng)力

表2 在不同El Centro 位移波激勵(lì)下端跨截面第一主應(yīng)力

表3 在不同Taft 位移波波速激勵(lì)下跨中截面第一主應(yīng)力

表4 在不同Taft 位移波波速激勵(lì)下端跨截面第一主應(yīng)力

由表1—表4 可知：在El Centro 位移波和Taft位移波激勵(lì)作用下，跨中、端跨截面第一主應(yīng)力隨著輸入地震波波速增大有增大的趨勢(shì)，但一致輸入情況下截面第一主應(yīng)力的數(shù)值有所減小。這是因?yàn)楫?dāng)輸入的地震波速越小，槽墩受到激勵(lì)間隔的時(shí)間就越大，渡槽兩端的相對(duì)位移就越大，這樣會(huì)使結(jié)構(gòu)與槽內(nèi)水體產(chǎn)生劇烈的相互作用，槽內(nèi)水體會(huì)給結(jié)構(gòu)提供很大的阻尼，吸收地震所生產(chǎn)的能耗，降低結(jié)構(gòu)在地震中的應(yīng)力響應(yīng)。

渡槽內(nèi)水體在地震激勵(lì)的作用下會(huì)產(chǎn)出大幅晃動(dòng)，這種晃動(dòng)對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布產(chǎn)生了重大的影響。由于篇幅有限，本文僅給出渡槽水深3.5 m，El Centro 位移波一致輸入跨中的第一主應(yīng)力云線圖和波速300 m/s 端跨的第一主應(yīng)力云線圖，結(jié)果如圖6、圖7 所示。由第一主應(yīng)力等值線圖可知，跨中底板及板角和端跨底板及槽壁均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，拉應(yīng)力超過(guò)砼允許應(yīng)力時(shí)，使混凝土產(chǎn)生裂縫，造成結(jié)構(gòu)破壞。因此，在實(shí)際的工程中，在跨中及端跨的相關(guān)位置增加配筋，以確保渡槽在地震時(shí)正常使用。

圖6 一致輸入（水深3.5 m）

圖7 輸入波速300 m/s（水深3.5 m）

4 結(jié)論

本文考慮流固耦合下的渡槽的地震分析，通過(guò)地震位移波的多點(diǎn)和一致輸入進(jìn)行計(jì)算，研究結(jié)果表明：

1）渡槽跨中、端跨截面均產(chǎn)生了較大的拉應(yīng)力，因此工程中在相應(yīng)位置應(yīng)增加配筋，以確保渡槽在地震時(shí)的正常使用；

2）考慮流固耦合下的渡槽的地震分析，使模型與工程實(shí)體更為接近，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際吻合度更高；

3）地震時(shí)，水體會(huì)產(chǎn)生阻尼效應(yīng)，減弱地震響應(yīng)，因此，水體耦合對(duì)結(jié)構(gòu)起到一定的保護(hù)作用；

4）對(duì)于高烈度區(qū)域，采用流固耦合方法進(jìn)行渡槽的抗震計(jì)算十分必要。