混凝土水池中的液體動態(tài)地震力分析

馬宗中

摘 要：本文討論了水池中關于液體動態(tài)地震力的計算原則、計算依據和計算方法。以現(xiàn)有的工程實例為依托，結合計算結果給出了液體地震力的分布情況。以此對照現(xiàn)今國內水池設計中的情況，為水池抗震設計的安全性和經濟性提供了必要參考。

關鍵詞：水池；液體；動態(tài)地震力；沖擊力；對流力；有效參與質量

引 言

國內對于水池中液體動態(tài)地震力沒有明確的規(guī)定，只在《水工建筑物抗震設計規(guī)范》[1]中有關于水閘的地震動水壓力的描述。但是與混凝土水池有一定差距，不能很好的應用于水池的工程設計。因此，本文參考美國ACI規(guī)范[2]，著重介紹混凝土水池中液體動態(tài)地震力的計算方法。

1 液體動態(tài)地震力分析

作用在水池上的水平地震力包含：水池池壁自重產生的地震力，水池池頂自重產生的地震力和水池內液體產生的動水壓力，其中動水壓力又包括液體的側向沖擊力、側向對流力和液體豎向地震力[2]。

水池池壁自重產生的地震力可按下式計算：

根據以上公式可以得到液體動態(tài)地震力質量參與系數與液體寬高比的關系：

液體側向沖擊力質量參與系數（Wi/WL），隨著液體的寬高比（L/HL）的增大而迅速減小，當液體的寬高比大于7.5時，液體側向對流力質量參與系數減小幅度放緩。這說明雖然水池長度增加，但是側向沖擊力參入質量不會快速減小。當液體的寬高比接近0時，液體側向沖擊力質量參與系數接近于1。

液體側向對流力質量參與系數（Wc/WL），隨著液體的寬高比（L/HL）的增大而迅速增大，當液體的寬高比大于7.5時，液體側向對流力質量參與系數增大幅度放緩。這說明雖然水池長度增加，但是側向沖擊力參入質量不會快速增加。當液體的寬高比接近0時，液體側向對流力質量參與系數接近于0。

根據以上公式可以得到動態(tài)地震力作用點高度與水池寬高比的關系圖。

動態(tài)地震力作用點高度（hi/HL）隨著液體的寬高比（L/HL）的增大而迅速減小，當液體的寬高比大于1.333時，動態(tài)地震力作用點高度（hi/HL）保持穩(wěn)定在0.375。當液體的寬高比接近0時，動態(tài)地震力作用點高度（hi/HL）接近于0.5。

動態(tài)地震力作用點高度（hc/HL）隨著液體的寬高比（L/HL）的增大而迅速減小，當液體的寬高比大于6時，動態(tài)地震力作用點高度下降幅度放緩，最小接近0.5。當液體的寬高比接近0時，動態(tài)地震力作用點高度（hc/HL）接近于1。

2 工程實例

以處于我國臺灣省的某項目為例，此項目所在地的地震參數為：SDS=0.8，SD1=0.45。水池為地上池，長20m，寬4m，設計水深1.9m。計算所得的液體動態(tài)地震力為：

3 結語與展望

通過本文分析與工程算例，可以看出當液體的寬厚比（L/HL）較小時，液體的動態(tài)地震力系數較大（Pi/WL=0.31，Pc/WL=0.26），但是當液體的寬厚比（L/HL）較大時，液體的動態(tài)地震力系數較?。≒i/WL=0.06，Pc/WL=0.03）。

由于國內現(xiàn)在還沒有對于液體動態(tài)地震力的詳細計算規(guī)范，在水池設計中，一般采取液體的總重量為有效地震參與質量，地震加速度與水池結構相同。此種設計方法可能導致某種情況下偏于不安全，例如水池內液體的寬厚比較小時。同時，也可能導致水池設計偏于浪費，例如水池內液體寬厚比較大時。

考慮到國內抗震規(guī)范與美國規(guī)范有較大不同，直接套用美國規(guī)范有一定困難，因此本文建議在考慮液體動態(tài)地震力時，可參考ACI350中關于液體有效參與質量的計算方法，從而更加精確的計算水池中液體的動態(tài)地震力。

參考文獻

[1]中國水利水電科學研究院.水工建筑物抗震設計規(guī)范（DL5073-2000）.中國電力出版社，2001

[2]ACI Committee 350. Seismic Design of Liquid-Containing Concrete Structures（ACI 350.3-06）. American Concrete Institute，2006.