钢筋混凝土水塔流固耦合自振特性分析

花立春

[摘 要]钢筋混凝土倒锥壳水塔目前在一些中小城市及乡村仍使用比较普遍。在我国近几年的一些大地震和强台风中，不少水塔出现了不同程度的损坏，甚至倒塌。本文采用ADINA有限元分析软件进行水塔的自振特性分析，分析中主要考虑流固耦合、液面晃动、储水体积等因素对水塔结构自振频率的影响。

[关键词]钢筋混凝土水塔 流固耦合 自振频率

中图分类号：TM722 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）29-0177-01引言：

钢筋混凝土倒锥壳水塔是自立式高耸结构的一种，主要由水箱、支筒以及基础组成，具有结构紧凑、造型优美、机械化程度高等优点。地震发生时，水塔结构会发生振动和变形，从而引起水体的晃动，水体的晃动会以动液压的形式作用于水箱，又会改变水塔结构的振动与变形状态，这种相互作用将在不同条件下产生复杂的流固耦合现象。Abramson用线性理论对容器内液体小振幅的液面晃动进行了数值模拟；Chen等用欧拉方程对矩形容器内液体在地震作用下大振幅晃动的非线性问题进行了数值模拟；一些学者[1，2]用有限元法对液体液面晃动问题模拟得到一些理想的結果。

1、工程概况

本文按照钢筋混凝土倒锥壳不保温水塔[3]（04S802）建模，支筒高度为28.8m，支筒外直径和内直径分别为2.4m和2.0m，壁厚为0.2m。倒锥壳水箱高度为6.441m。水箱的设计最大储水量为200m3，设计满水高度为3.148m。

2、模型参数

本文采用ADINA有限元软件进行分析，对倒锥壳水塔的支筒、水箱均采用八节点六面体3D实体单元，对水塔中的水体采用八节点六面体3D势流体单元。水塔结构的有限元分析模型如图1所示。在水箱中的水体表面处设置自由液面边界条件来模拟液面晃动。流固耦合边界处势流体单元的节点与结构单元的节点必须一一对应，软件在求解初始化时可以自动确定流固耦合边界。

水箱混凝土标号为C30，泊松比μ=0.2，密度ρ=2500kg/m3，弹性模量E=3×104MPa；支筒混凝土标号为C35，泊松比μ=0.2，密度ρ=2500kg/m3，弹性模量E=3.1×104MPa。水箱中水体的密度ρ为1000kg/m3，体积模量Kw为2.18×103MPa。

3、自振频率

本文主要分析了不同储水状态水塔结构前四十阶自振频率，其中包括不考虑流固耦合、考虑流固耦合但液面不晃动、考虑流固耦合且液面晃动这三种情况。表2给出不同情况下结构第一阶自振频率。

由表1可知，当储水体积一定时，水塔结构第一阶自振频率由大到小排序为：考虑流固耦合且液面晃动情况、考虑流固耦合但液面不晃动情况、不考虑流固耦合情况。当水箱的储水体积从10%增加到100%时，水塔结构第一阶自振频率是随着储水体积的增加而减小，其中不考虑流固耦合情况下结构的第一阶自振频率从0.5557Hz减小到0.3808Hz，下降了31.47%；考虑流固耦合但液面不晃动情况下结构第一阶自振频率从0.5828Hz减小到0.4953Hz，下降了15.01%；考虑流固耦合且液面晃动情况下结构第一阶自振频率从0.5893Hz减小到0.5425Hz，下降了7.94%。

4、结论

本文采用ADINA有限元分析软件，对水塔结构进行了自振特性分析。由分析结果得到以下主要结论：

（1）当储水体积一定时，水塔结构第一阶自振频率由大到小排序为：考虑流固耦合且液面晃动情况、考虑流固耦合但液面不晃动情况、不考虑流固耦合情况。

（2）水塔结构的第一阶自振频率均随着储水体积的增加而减小。

参考文献

[1] 尚春雨，张海军，赵建国.考虑水晃动作用时椭球形水塔的地震反应分析[J].钢结构，2010，25（1）：15-20.

[2] 张俊，周焕林，牛忠荣.钢筋混凝土水塔流固耦合动力响应分析[J].特种结构，2011，28（2）：56-59.

[3] 中国工程建设标准化协会.钢筋混凝土倒锥壳不保温水塔（04S802）.北京：中国建筑标准研究院，2004.