大型薄壁輸水渡槽流固耦合振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究

王海波，李春雷，朱 璨，何俊榮

（1.中國水利水電科學(xué)研究院 工程抗震研究中心，北京 100048；2.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010）

1 研究背景

大型渡槽結(jié)構(gòu)是長距離調(diào)水工程的主要建筑物之一。我國西南高地震烈度區(qū)調(diào)水工程中大型渡槽抗震安全問題十分突出，對(duì)長距離調(diào)水工程安全運(yùn)行至關(guān)重要。渡槽結(jié)構(gòu)震后修復(fù)難度大于其它交通類橋梁結(jié)構(gòu)，并且因輸水線路中水體短時(shí)集中傾瀉，存在局地引發(fā)次生災(zāi)害的風(fēng)險(xiǎn)。因此渡槽抗震設(shè)計(jì)引起社會(huì)的高度重視。

槽內(nèi)水體質(zhì)量與渡槽槽身結(jié)構(gòu)質(zhì)量相當(dāng)甚至更大，不僅占據(jù)靜態(tài)荷載的主要部分，其與結(jié)構(gòu)的流固動(dòng)態(tài)相互作用也對(duì)輸水建筑物的橫槽向、豎向地震響應(yīng)產(chǎn)生重要影響。地震條件下，因槽身結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致槽內(nèi)水體橫向運(yùn)動(dòng)的流固動(dòng)態(tài)耦合問題十分復(fù)雜，渡槽結(jié)構(gòu)的變形和運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致槽內(nèi)水體運(yùn)動(dòng)，而槽內(nèi)水體的運(yùn)動(dòng)會(huì)對(duì)渡槽結(jié)構(gòu)產(chǎn)生反作用，進(jìn)而改變渡槽結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)。容器內(nèi)流體運(yùn)動(dòng)及流固動(dòng)力相互作用問題涉及應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，如貯液罐、飛行器燃料箱、液體運(yùn)送車輛、海上液體運(yùn)輸船只以及水庫大壩等等。一般流體運(yùn)動(dòng)的支配方程為Navier-Stokes 方程，若引入無黏（理想流體）和絕熱條件，Navier-Stokes 方程可簡化為Euler 方程。進(jìn)一步假定液體不可壓縮及無旋運(yùn)動(dòng)并引入流體速度勢函數(shù)，支配方程可簡化為速度勢的Laplace 方程和Bernoulli 方程。容器內(nèi)液體運(yùn)動(dòng)由支配方程和液體在容器壁、底部及液體自由表面的邊界條件及初始運(yùn)動(dòng)所決定。……