1、实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期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
2、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=50m；渡槽高 hs=15.35m，端跨、跨中截面如图 1 所示，渡槽的有限元模型如图 2所示。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 1.43510-3Pa s。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
3、/s；槽内水深分别为：0、3.5、3.75、4、4.25、4.5 m 进行分析。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 25。摘要：渡槽这种重要的输水结构，顶部质量大。地震作用下，水体采用附加质量法计算，不能反映水体与结构的相互作用。该文采用有限元模拟水体及结构，地震波采取一致和多点输入，考虑渡槽内水体的大幅晃动，计算结果表明，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，消减地震作用，减少结构的最大位移。因此
4、，渡槽地震反应分析时，槽内水体的耦合作用是不可以忽视的。关键词：渡槽；流固耦合；多点地震输入；大幅晃动；有限元分析中图分类号：TV312文献标志码：A文章编号：2095-2945（2023）09-0045-04Abstract:Aqueduct,as a kind of water transport structures,has a massive top.Under the action of earthquake,the waterbody is calculated by the additional mass method,which can not reflect the inte
5、raction between water body and structure.In thispaper,the finite element method is used to simulate the water body and the structure.The seismic wave is consistent and multi-point input,and the large sloshing of the water body in the aqueduct is taken into account.The calculation results show that t
6、heinteraction between the structure and the fluid will make the structure produce an effect similar to TLD(tuned liquid damper),reduce the seismic action and reduce the maximum displacement of the structure.Therefore,in the seismic response analysis ofthe aqueduct,the coupling effect of the water bo
7、dy in the aqueduct can not be ignored.Keywords:aqueduct;fluid-solid coupling;multi-point seismic input;large sloshing;finite element analysis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。DOI：10.19981/j.CN23-1581/G3.2023.09.01145-2023年9期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application图2结构有限元模型表1渡槽槽体、柱
8、墩的材料参数注：表中 Es为混凝土的弹性模量，为混凝土的泊松比，为混凝土的密度。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。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 Centr
9、o 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。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。渡槽材料 E?/Pa /(kgm?)C60(槽体)3.610?0.167 2?500 C30(槽墩)3.010?0.167 2?500 8 0003 1002 2502 0002 0004 0007504 0003004 000R4 000R4 0004 5004 500端部截面跨中截面4 0
10、00500图1渡槽端部、跨中截面及有限元模型单位：mm46-实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application2023年9期表5在不同Taft位移波波速激励下跨端截面绝对位移最大值水深/m一致输入50 m/s100 m/s200 m/s300 m/s400 m/s3.5012.229.569.4511.5811.8011.963.7512.119.189.3711.5511.7411.884.0012.079.109.3711.5511.7311.824.2512.239.299.6111.7911.7412.064.5012.469.519.88
11、12.0912.2312.31无水15.7012.1110.7913.1612.6112.68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水深/m一致输入50m/s100m/s200 m/s300m/s400 m/s3.5011.6211.7211.7111.6611.6511.633.7511.6311.7311.7211.6711.6611.654.0011.6411.7311.7311.6811.6711.664.2511.6611.7511.7411.6911.6911.684.5011.6711.
12、7711.7611.7111.7111.70无水11.5911.7111.6711.6811.5711.61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水深/m一致输入50 m/s100 m/s200 m/s300 m/s400 m/s3.507.674.915.507.097.397.503.757.604.845.417.027.337.444.007.614.855.427.037.337.444.257.815.135.597.237.537.534.508.025.345.837.457.747.86无水7.634.985.526.727.207.30水深/m一致输入50
13、 m/s100 m/s200m/s300 m/s400 m/s3.507.177.247.237.197.187.183.757.187.267.247.207.197.194.007.197.277.257.217.207.204.257.217.287.267.237.227.224.507.227.307.287.247.247.23无水7.147.217.217.167.157.16注：截面绝对位移最大值单位均为 cm，下同。图3Taft位移波形图4El Centro位移波形时间/s位移/m0.150.10.050-0.05-0.1-0.1502468101214161820时间/s位
14、移/m051015200.080.060.040.020.00-0.02-0.04-0.0647-2023年9期实验报告科技创新与应用Technology Innovation and Application4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
15、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。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）：5-7，50.2 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）：51.5 岳
16、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 徐建国，陈淮，王博，等.考虑流固动力相互作用的大型渡槽地震响应研究J.土木工程学报，2005（8）：67-73.7 肖祥.世纪构想：南水北调大工程J.中国减灾报，2000-5-9.9 郑哲敏.等悬臂梁宰一侧受有液体作用下的振动J.力学学报，1959，3（2）：111-119.10 王博，徐建国.大型渡槽对多点地震输入的反应J.水利学报.2000（9）：55-60.11 张永亮.大型渡槽结构振动特性分析研究J.甘肃科技，2005，21（1）：97-98.12 潘旦光，楼梦麟，范立础.多点输入下大跨度结构地震反应分析研究现状J.同济大学学报（自然科学版），2001，29（10）：1213-1219.在 850 Hz 激励下节点位移达到最大值，表明在齿轮设计时应避开固有频率防止共振现象发生。参考文献：1 SAXENA A，CHOUKSEY M，PAREY A.Effect of meshstiffness of healthy and cracked gear tooth on modal andf