U形渡槽流固耦合有限元建模與響應譜分析

韓曉育　王俊

摘要：渡槽結構的振動特性分析是進行結構抗震設計與安全評價的重要內容之一。結合景泰川電力提灌二期工程的特點，考慮實際工程輸水過程中水體與槽體間的耦合作用，采用ANSYS軟件中融合的流固耦合模塊建立了渡槽三維有限元模型，并對3種不同水位工況進行模態計算，得出相應的固有頻率和主振型特征，再將正常水位工況下的計算結果與用HHT方法辨識的結果進行對比，誤差范圍為0.2%-4.4%，能夠滿足實際工程要求，說明有限元模型的適用性較強，同時對其主振型特征進行分析總結并提出合理的建議，最后利用反應譜理論對渡槽結構進行動力響應計算，得出不同工況下渡槽結構的位移、應力響應最值及變化規律，為渡槽結構的抗震設計、后續研究和該工程的加固改造提供理論依據。

關鍵詞：渡槽；流固耦合；有限元建模；模態參數辨識；模態分析；響應譜分析

近年來，隨著國家對水利建設投資的不斷加大，渡槽在各地水利工程建設中得到了廣泛應用，為滿足工程結構的實際需求，加強渡槽結構的分析研究是十分必要的。常用于渡槽結構理論計算的方法有結構力學法和有限元模擬法，進行結構動力計算時往往選用有限元模擬法，其能通過圖像來方便、直觀地反映出結構的振動特征。目前，渡槽抗震設計計算研究中考慮更多的是槽體與水體之間的流固耦合作用，且不同模型的計算結果差別很大，動力計算模型的選取還有待統一。實際工程抗震設計中只有合理地選取流固耦合仿真模型，其動力響應結果才能作為抗震設計的依據。為此，筆者以景泰川電力提灌二期工程（以下簡稱景電工程）中大型渡槽為研究對象，結合流固耦合理論，使用ANSYS有限元軟件建立了槽體-水體-排架-基礎-地基為一體的三維有限元動力模型，對渡槽結構進行了3種不同水位工況的模態計算，通過將正常水位工況下渡槽結構的自振頻率與用HHT方法得到的辨識結果進行對比、分析，證實了FSI系統模型的適用性，結果精度較高，可在實際工程抗震設計計算中推廣應用：最后利用基于FSI系統的有限元模型對景電工程渡槽結構進行了動力響應譜分析，其計算結果可為該工程的后期改造、加固提供理論依據。