考慮流固耦合下的渡槽地震分析

孔 麟，黃 磊

（西北電力設計院有限公司，西安 710075）

渡槽是調水、輸水的重要構筑物之一，其結構具有頂部質量大的特點。地震時確保渡槽安全可靠也尤顯重要。一般情況，把渡槽內的水體作為附加質量，附加到槽體內進行地震反應分析。該假定忽略了水體晃動及水體與渡槽的相互作用，與實體工況存在一定的差異。本文結合某工程的渡槽，采用有限元程序進行分析，分析時考慮水體晃動，地震波沿渡槽長度方向一致輸入和考慮行波效應，波速采用不同的數值。計算地震時渡槽的應力響應。

1 工程情況及有限元模型

本文選取一段調水工程中的超長典型渡槽結構進行地震反應分析，渡槽跨度50 m，槽內馬蹄形，渡槽端跨及跨中截面如圖1、圖2 所示，渡槽結構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 結構有限元模型

圖4 水體有限元模型

2 計算實例參數及地震波選取和輸入

2.1 計算實例參數

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

本文選擇二類場地類別的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，波速分別為50、100、200、300、400 m/s；槽內水深高度分別為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 地震響應應力分析

渡槽內水體在地震作用下會產生大幅晃動，這種晃動會直接影響渡槽結構的應力分布。表1—表4 分別給出地震波一致輸入和不同波速情況下，結構在不同水深情況下跨中和端跨截面第一主應力值。

表1 在不同El Centro 位移波波速激勵下跨中截面第一主應力

表2 在不同El Centro 位移波激勵下端跨截面第一主應力

表3 在不同Taft 位移波波速激勵下跨中截面第一主應力

表4 在不同Taft 位移波波速激勵下端跨截面第一主應力

由表1—表4 可知：在El Centro 位移波和Taft位移波激勵作用下，跨中、端跨截面第一主應力隨著輸入地震波波速增大有增大的趨勢，但一致輸入情況下截面第一主應力的數值有所減小。這是因為當輸入的地震波速越小，槽墩受到激勵間隔的時間就越大，渡槽兩端的相對位移就越大，這樣會使結構與槽內水體產生劇烈的相互作用，槽內水體會給結構提供很大的阻尼，吸收地震所生產的能耗，降低結構在地震中的應力響應。

渡槽內水體在地震激勵的作用下會產出大幅晃動，這種晃動對渡槽結構的應力分布產生了重大的影響。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力云線圖和波速300 m/s 端跨的第一主應力云線圖，結果如圖6、圖7 所示。由第一主應力等值線圖可知，跨中底板及板角和端跨底板及槽壁均產生了較大的拉應力，拉應力超過砼允許應力時，使混凝土產生裂縫，造成結構破壞。因此，在實際的工程中，在跨中及端跨的相關位置增加配筋，以確保渡槽在地震時正常使用。

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 結論

本文考慮流固耦合下的渡槽的地震分析，通過地震位移波的多點和一致輸入進行計算，研究結果表明：

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

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

3）地震時，水體會產生阻尼效應，減弱地震響應，因此，水體耦合對結構起到一定的保護作用；

4）對于高烈度區域，采用流固耦合方法進行渡槽的抗震計算十分必要。