渡槽結構考慮流固耦合的地震動力反應分析

孔 麟，同 剛

（西北電力設計院有限公司，西安 710075）

渡槽是調水工程中的重要構筑物，無論采用何種結構及支承形式，都具有頂部質量大的特點。渡槽的安全涉及民生，因此，地震時渡槽的安全性越來越受到關注。常規(guī)方法，即把水體當作附加質量作用于槽壁結構，與槽體一起進行分析。該方法具有一定的局限性，忽略水體的晃動。本文針對某工程的大型渡槽考慮水體晃動，采用有限元程序進行分析，求解由液面邊界的Navier-Stokes 方程，用數值方法計算流固耦合，分析渡槽在地震荷載作用下流體和固體之間的相互影響。

1 工程背景及有限元模型

本文以某調水工程的渡槽為背景，選取一段典型渡槽結構進行分析，渡槽長ls=50 m；渡槽高hs=15.35 m，端跨、跨中截面如圖1 所示，渡槽的有限元模型如圖2所示。

圖1 渡槽端部、跨中截面及有限元模型

圖2 結構有限元模型

2 模型參數和地震參數選取及輸入

2.1 模型參數

渡槽槽體、柱墩的材料參數見表1，水體密度為1 000 kg/m3，粘性系數為1.435×10-3Pa·s。

表1 渡槽槽體、柱墩的材料參數

2.2 地震參數選取和地震荷載輸入

本文選擇適合二類場地類別的El Centro 和Taft波人工合成位移波如圖3、4 所示，地震波順槽體輸入，波速分別為：無窮大（一致輸入）、50、100、200、300、400m/s；槽內水深分別為：0、3.5、3.75、4、4.25、4.5 m 進行分析。

圖3 Taft 位移波形

3 地震響應分析

3.1 關鍵點的選取

本文選取渡槽的端跨和跨中截面，計算相關位置的最大位移來分析結構的地震響應。在El Centro 和Taft 位移波荷載下，通過計算，相關位置的絕對最大位移見表2～5。

3.2 計算分析

由表2、4 可知，在El Centro 位移波和Taft 位移波激勵作用下，當輸入的地震波速越大時，跨中截面的絕對位移變大；當槽內水體深度增加時，跨中截面的最大位移先減小后增加；當槽內無水時，跨中截面的位移值最大。

表2 在不同El Centro 位移波波速激勵下跨中截面絕對位移最大值

因為模型考慮了流體與固體之間的相互作用，當輸入的地震波速越小，結構兩端所受激勵間隔時間越長，結構與流體之間的相互作用就會使結構產生類似于TLD（調諧液體阻尼器）的效應，渡槽內的水體能給結構提供更大的阻尼，改善結構的能量耗散，減小結構的最大位移。

由表3、5 可知：在El Centro 位移波和Taft 位移波激勵作用下，對于結構的跨端截面，當輸入的地震波速增加時，截面的絕對位移最大值減少；當槽內水體深度增加時，截面的絕對位移最大值增加。

表3 在不同El Centro 位移波波速激勵下跨端截面絕對位移最大值

圖4 El Centro 位移波形

因為渡槽端跨槽體與槽墩采用整體處理建模，波速越大，端跨的地震響應越小，隨著槽內水體深度的增加，渡槽結構的上部質量增大，從而使槽體端跨地震響應增大。

表4 在不同Taft 位移波波速激勵下跨中截面絕對位移最大值

表5 在不同Taft 位移波波速激勵下跨端截面絕對位移最大值

4 結論

本文采用流固耦合法對大跨度渡槽結構進行分析，地震波采用一致及多點輸入，分析結果表明：

1）將為水體作為有粘性的、不可壓縮的流體與結構本體一起進行地震反應動力計算，計算模型與實際更接近，計算結果與實際更吻合。

2）計算模型考慮了水體與結構的流固耦合作用，輸入的地震波速越小，槽內的水體能提供更大的阻尼，增加結構的能量耗散，減少跨中的最大位移。

3）水體在地震中提供阻尼效應，減弱地震響應，水體的耦合對結構有一定的保護作用。

4）根據渡槽在地震時的位移特點，相關的位置應采取加強措施，保證渡槽在地震作用下的安全、可靠。