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。

图1 渡槽端部截面

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 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2500 kg/m3，弹性模量为3.6×104MPa，泊松比为0.167；槽墩材料为C30 砼，密度为2500 kg/m3，弹性模量为3.0×104MPa，泊松比为0.167；水体密度为1000 kg/m3，黏性系数为μ=1.435×10-3Pa·s。

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。

图5 El Centro 位移波形

图6 Taft 位移波形

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。

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2 在不同El Centro 位移波激励下端跨截面第一主应力

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。

图6 一致输入（水深3.5 m）

图7 输入波速300 m/s（水深3.5 m）

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；

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。