渡槽结构考虑流固耦合的地震动力反应分析

孔 麟，同 刚

（西北电力设计院有限公司，西安 710075）

渡槽是调水工程中的重要构筑物，无论采用何种结构及支承形式，都具有顶部质量大的特点。渡槽的安全涉及民生，因此，地震时渡槽的安全性越来越受到关注。常规方法，即把水体当作附加质量作用于槽壁结构，与槽体一起进行分析。该方法具有一定的局限性，忽略水体的晃动。本文针对某工程的大型渡槽考虑水体晃动，采用有限元程序进行分析，求解由液面边界的Navier-Stokes 方程，用数值方法计算流固耦合，分析渡槽在地震荷载作用下流体和固体之间的相互影响。

1 工程背景及有限元模型

本文以某调水工程的渡槽为背景，选取一段典型渡槽结构进行分析，渡槽长ls=50 m；渡槽高hs=15.35 m，端跨、跨中截面如图1 所示，渡槽的有限元模型如图2所示。

图1 渡槽端部、跨中截面及有限元模型

图2 结构有限元模型

2 模型参数和地震参数选取及输入

2.1 模型参数

渡槽槽体、柱墩的材料参数见表1，水体密度为1 000 kg/m3，粘性系数为1.435×10-3Pa·s。

表1 渡槽槽体、柱墩的材料参数

2.2 地震参数选取和地震荷载输入

本文选择适合二类场地类别的El Centro 和Taft波人工合成位移波如图3、4 所示，地震波顺槽体输入，波速分别为：无穷大（一致输入）、50、100、200、300、400m/s；槽内水深分别为：0、3.5、3.75、4、4.25、4.5 m 进行分析。

图3 Taft 位移波形

3 地震响应分析

3.1 关键点的选取

本文选取渡槽的端跨和跨中截面，计算相关位置的最大位移来分析结构的地震响应。在El Centro 和Taft 位移波荷载下，通过计算，相关位置的绝对最大位移见表2～5。

3.2 计算分析

由表2、4 可知，在El Centro 位移波和Taft 位移波激励作用下，当输入的地震波速越大时，跨中截面的绝对位移变大；当槽内水体深度增加时，跨中截面的最大位移先减小后增加；当槽内无水时，跨中截面的位移值最大。

表2 在不同El Centro 位移波波速激励下跨中截面绝对位移最大值

因为模型考虑了流体与固体之间的相互作用，当输入的地震波速越小，结构两端所受激励间隔时间越长，结构与流体之间的相互作用就会使结构产生类似于TLD（调谐液体阻尼器）的效应，渡槽内的水体能给结构提供更大的阻尼，改善结构的能量耗散，减小结构的最大位移。

由表3、5 可知：在El Centro 位移波和Taft 位移波激励作用下，对于结构的跨端截面，当输入的地震波速增加时，截面的绝对位移最大值减少；当槽内水体深度增加时，截面的绝对位移最大值增加。

表3 在不同El Centro 位移波波速激励下跨端截面绝对位移最大值

图4 El Centro 位移波形

因为渡槽端跨槽体与槽墩采用整体处理建模，波速越大，端跨的地震响应越小，随着槽内水体深度的增加，渡槽结构的上部质量增大，从而使槽体端跨地震响应增大。

表4 在不同Taft 位移波波速激励下跨中截面绝对位移最大值

表5 在不同Taft 位移波波速激励下跨端截面绝对位移最大值

4 结论

本文采用流固耦合法对大跨度渡槽结构进行分析，地震波采用一致及多点输入，分析结果表明：

1）将为水体作为有粘性的、不可压缩的流体与结构本体一起进行地震反应动力计算，计算模型与实际更接近，计算结果与实际更吻合。

2）计算模型考虑了水体与结构的流固耦合作用，输入的地震波速越小，槽内的水体能提供更大的阻尼，增加结构的能量耗散，减少跨中的最大位移。

3）水体在地震中提供阻尼效应，减弱地震响应，水体的耦合对结构有一定的保护作用。

4）根据渡槽在地震时的位移特点，相关的位置应采取加强措施，保证渡槽在地震作用下的安全、可靠。