考虑流固耦合下的渡槽地震分析_孔麟.pdf

2023年8期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application考虑流固耦合下的渡槽地震分析孔麟，黄磊（西北电力设计院有限公司，西安 710075）渡槽是调水、输水的重要构筑物之一，其结构具有顶部质量大的特点。地震时确保渡槽安全可靠也尤显重要。一般情况，把渡槽内的水体作为附加质量，附加到槽体内进行地震反应分析。该假定忽略了水体晃动及水体与渡槽的相互作用，与实体工况存在一定的差异。本文结合某工程的渡槽，采用有限元程序进行分析，分析时考虑水体晃动，地震波沿渡槽长度方向一致输入和考虑行波效应，波速采用不同的数值。计算地震时渡槽的应力响应。1工程情况及有限元模型本文选取一段调水工程中的超长典型渡槽结构进行地震反应分析，渡槽跨度 50 m，槽内马蹄形，渡槽端跨及跨中截面如图 1、图 2 所示，渡槽结构及水体的有限元模型如图 3、图 4 所示。2计算实例参数及地震波选取和输入2.1计算实例参数槽体材料为 C60 砼，密度为 2 500 kg/m3，弹性模量为 3.6104MPa，泊松比为 0.167；槽墩材料为 C30 砼，密度为 2 500 kg/m3，弹性模量为 3.0104MPa，泊松比为 0.167；水体密度为 1 000 kg/m3，黏性系数为=1.43510-3Pa s。图1渡槽端部截面摘要：渡槽是重要的输水构筑物，具有顶部质量大的特点。传统的附加质量法，具有一定的假设，不能真实反映水体的作用。该文采用流固耦合理论，在地震作用下，考虑槽内水体的大幅晃动，采取地震波一致和多点输入进行计算。结果表明，水体用与结构相互作用会使结构产生类似于 TLD（调谐液体阻尼器）的效应，减小地震作用，降低结构响应。因此，考虑流固耦合下的渡槽的地震分析，与实际更相符。关键词：渡槽；水体；地震；流固耦合；多点输入；有限元分析中图分类号：TV312文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）08-0050-04Abstract:Aqueduct is an important water conveyance structure,which has the characteristics of large top mass.Thetraditional additional mass method has certain assumptions and can not really reflect the function of water body.In this paper,based on the fluid-solid coupling theory,considering the large sloshing of the water body in the trough under the action ofearthquake,the calculation is carried out using seismic wave consistency and multi-point input.The results show that theinteraction between water and structure will make the structure produce an effect similar to TLD(tuned liquid damper),reduce theseismic action and reduce the structural response.Therefore,the seismic analysis of the aqueduct under fluid-solid coupling ismore consistent with the reality.Keywords:aqueduct;water body;earthquake;fluid-solid coupling;multi-point input;finite element analysis8 000R 4 000端部截面3 1002 2502 0004 0004 0005004 5004 500第一作者简介：孔麟（1981），男，硕士，高级工程师。研究方向为建（构）筑物的抗震性能。单位：mmDOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.08.01250-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年8期图6Taft位移波形图2渡槽跨中的截面图3结构有限元模型图4水体有限元模型2.2地震位移波的选取和输入本文选择二类场地类别的 El Centro 波和 Taft波人工合成的位移波，波形图如图 5、图 6 所示。地震波顺槽输入，分别考虑一致输入和行波效应，波速分别为50、100、200、300、400 m/s；槽内水深高度分别为 0、3.5、3.75、4、4.25、4.5 m。3地震响应应力分析渡槽内水体在地震作用下会产生大幅晃动，这种晃动会直接影响渡槽结构的应力分布。表 1表 4 分别给出地震波一致输入和不同波速情况下，结构在不同水深情况下跨中和端跨截面第一主应力值。图5El Centro位移波形时间/s时间/s位移/m位移/m0.150.10.050-0.05-0.1-0.150.080.060.040.020.00-0.02-0.04-0.0600246810121416182051015207504 0002 0004 000300R 4 000跨中截面单位：mm51-2023年8期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application表1在不同El Centro位移波波速激励下跨中截面第一主应力表3在不同Taft位移波波速激励下跨中截面第一主应力表4在不同Taft位移波波速激励下端跨截面第一主应力由表 1表 4 可知：在 El Centro 位移波和 Taft位移波激励作用下，跨中、端跨截面第一主应力随着输入地震波波速增大有增大的趋势，但一致输入情况下截面第一主应力的数值有所减小。这是因为当输入的地震波速越小，槽墩受到激励间隔的时间就越大，渡槽两端的相对位移就越大，这样会使结构与槽内水体产生剧烈的相互作用，槽内水体会给结构提供很大的阻尼，吸收地震所生产的能耗，降低结构在地震中的应力响应。渡槽内水体在地震激励的作用下会产出大幅晃动，这种晃动对渡槽结构的应力分布产生了重大的影响。由于篇幅有限，本文仅给出渡槽水深 3.5 m，El Centro 位移波一致输入跨中的第一主应力云线图和波速 300 m/s 端跨的第一主应力云线图，结果如图 6、图 7 所示。由第一主应力等值线图可知，跨中底板及板角和端跨底板及槽壁均产生了较大的拉应力，拉应力超过砼允许应力时，使混凝土产生裂缝，造成结构破坏。因此，在实际的工程中，在跨中及端跨的相关位置增加配筋，以确保渡槽在地震时正常使用。4结论本文考虑流固耦合下的渡槽的地震分析，通过地震位移波的多点和一致输入进行计算，研究结果表明：1）渡槽跨中、端跨截面均产生了较大的拉应力，因此工程中在相应位置应增加配筋，以确保渡槽在地震时的正常使用；2）考虑流固耦合下的渡槽的地震分析，使模型与工程实体更为接近，计算结果与实际吻合度更高；表2在不同El Centro位移波激励下端跨截面第一主应力注：第一主应力单位均为 MPa，下同。水深/m 一致输入 50/(ms?)100/(ms?)200/(ms?)300/(ms?)400/(ms?)3.50 1.13 1.06 1.37 1.38 1.59 1.77 3.75 1.38 1.21 1.52 1.55 1.80 1.99 4 1.58 1.35 1.67 1.73 1.99 2.18 4.25 1.86 1.55 1.85 1.85 1.23 2.44 4.50 2.14 1.77 2.06 2.07 1.58 1.86 0 2.26 2.06 2.39 2.14 2.00 2.49 水深/m 一致输入 50/(ms?)100/(ms?)200/(ms?)s 300/(ms?)400/(ms?)3.50 1.20 1.10 1.36 1.18 1.41 1.70 3.75 1.40 1.33 1.59 1.42 1.65 1.62 4 1.80 1.56 1.85 1.68 1.90 1.85 4.25 2.05 1.78 2.06 1.87 2.10 2.07 4.5 2.25 2.02 2.31 2.12 2.35 2.32 0 2.50 2.15 2.63 2.35 2.56 2.53 水深/m 一致输入 50/(ms?)100/(ms?)200/(ms?)300/(ms?)400/(ms?)3.50 1.29 1.38 1.25 1.20 1.21 1.22 3.75 1.48 1.53 1.43 1.45 1.45 1.46 4 1.66 1.67 1.61 1.63 1.63 1.65 4.25 1.82 1.87 1.77 1.79 1.80 1.81 4.50 2.01 2.07 1.96 1.98 1.99 1.99 0 2.20 2.10 2.46 2.32 2.31 2.32 水深/m 一致输入 50/(ms?)100/(ms?)200/(ms?)300/(ms?)400/(ms?)3.50 1.44 1.63 0.99 1.73 1.77 1.79 3.75 1.85 1.87 1.23 1.97 2.00 2.01 4 2.20 2.13 1.48 2.22 2.26 2.27 4.25 2.72 2.35 1.70 2.44 2.47 2.50 4.50 2.23 2.60 2.95 2.69 2.72 2.75 0 1.94 2.57 2.54 2.47 2.65 2.69 52-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年8期14500000.23900000.33300000.42700000.5210000061500000.79000000.83000000.13500000.23000000.32500000.42000000.5150000061000000.75000000.80.12 345678图7输入波速300 m/s（水深3.5 m）3）地震时，水体会产生阻尼效应，减弱地震响应，因此，水体耦合对结构起到一定的保护作用；4）对于高烈度区域，采用流固耦合方法进行渡槽的抗震计算十分必要。参考文献：1 王博，陈淮，徐伟，等.考虑槽身与槽内水体流固耦合的渡槽地震反应计算J.水利水电科技进展，2005，25（3）：5-8.2 吴轶，莫海鸿，杨春.大型矩形渡槽-水耦合体系的动力性能分析J.地震工程与工程振动，2004，24（4）：137-142.3 张多新，李玉河，宋万增.大型矩形水工渡槽动力分析J.灌溉排水学报，2009，28（2），131-134.4 李遇春，楼梦麟.渡槽中流体非线性晃动的边界元模拟J.地震工程与工程振动，2000，20（2），51-56.5 岳宝增，李笑天.ALE 有限元法的研究和应用J.力学与实践，2002，24（2）：7-11.6 赵光恒.结构动力学M.北京：中国水利水电出版社，1995：144-147.7 蔡国琰，曲乃泗，赖国璋.贮液罐结构水弹性抗震分析J.大连工学院学报，1979（3）：86-100.8 王博，寇磊，徐建国，等大型渡槽有限条法动力建模研究J.世界地震工程，2007，23（1）：73-79.2董吉.木质素纤维对贵阳红黏土物理力学性质影响的试验研究D.贵阳：贵州大学，2019.3张慧颖，张云淑，彭玉林，等.昆明红粘土的基本特征及工程效应影响机理的探讨J.云南农业大学学报，2007（4）：615-617，622.4陈然，王学艳