鋼筋混凝土水塔流固耦合自振特性分析

花立春

[摘 要]鋼筋混凝土倒錐殼水塔目前在一些中小城市及鄉(xiāng)村仍使用比較普遍。在我國(guó)近幾年的一些大地震和強(qiáng)臺(tái)風(fēng)中，不少水塔出現(xiàn)了不同程度的損壞，甚至倒塌。本文采用ADINA有限元分析軟件進(jìn)行水塔的自振特性分析，分析中主要考慮流固耦合、液面晃動(dòng)、儲(chǔ)水體積等因素對(duì)水塔結(jié)構(gòu)自振頻率的影響。

[關(guān)鍵詞]鋼筋混凝土水塔 流固耦合 自振頻率

中圖分類號(hào)：TM722 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）29-0177-01引言：

鋼筋混凝土倒錐殼水塔是自立式高聳結(jié)構(gòu)的一種，主要由水箱、支筒以及基礎(chǔ)組成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、造型優(yōu)美、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)。地震發(fā)生時(shí)，水塔結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生振動(dòng)和變形，從而引起水體的晃動(dòng)，水體的晃動(dòng)會(huì)以動(dòng)液壓的形式作用于水箱，又會(huì)改變水塔結(jié)構(gòu)的振動(dòng)與變形狀態(tài)，這種相互作用將在不同條件下產(chǎn)生復(fù)雜的流固耦合現(xiàn)象。Abramson用線性理論對(duì)容器內(nèi)液體小振幅的液面晃動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值模擬；Chen等用歐拉方程對(duì)矩形容器內(nèi)液體在地震作用下大振幅晃動(dòng)的非線性問題進(jìn)行了數(shù)值模擬；一些學(xué)者[1，2]用有限元法對(duì)液體液面晃動(dòng)問題模擬得到一些理想的結(jié)果。

1、工程概況

本文按照鋼筋混凝土倒錐殼不保溫水塔[3]（04S802）建模，支筒高度為28.8m，支筒外直徑和內(nèi)直徑分別為2.4m和2.0m，壁厚為0.2m。倒錐殼水箱高度為6.441m。水箱的設(shè)計(jì)最大儲(chǔ)水量為200m3，設(shè)計(jì)滿水高度為3.148m。

2、模型參數(shù)

本文采用ADINA有限元軟件進(jìn)行分析，對(duì)倒錐殼水塔的支筒、水箱均采用八節(jié)點(diǎn)六面體3D實(shí)體單元，對(duì)水塔中的水體采用八節(jié)點(diǎn)六面體3D勢(shì)流體單元。水塔結(jié)構(gòu)的有限元分析模型如圖1所示。在水箱中的水體表面處設(shè)置自由液面邊界條件來模擬液面晃動(dòng)。流固耦合邊界處勢(shì)流體單元的節(jié)點(diǎn)與結(jié)構(gòu)單元的節(jié)點(diǎn)必須一一對(duì)應(yīng)，軟件在求解初始化時(shí)可以自動(dòng)確定流固耦合邊界。

水箱混凝土標(biāo)號(hào)為C30，泊松比μ=0.2，密度ρ=2500kg/m3，彈性模量E=3×104MPa；支筒混凝土標(biāo)號(hào)為C35，泊松比μ=0.2，密度ρ=2500kg/m3，彈性模量E=3.1×104MPa。水箱中水體的密度ρ為1000kg/m3，體積模量Kw為2.18×103MPa。

3、自振頻率

本文主要分析了不同儲(chǔ)水狀態(tài)水塔結(jié)構(gòu)前四十階自振頻率，其中包括不考慮流固耦合、考慮流固耦合但液面不晃動(dòng)、考慮流固耦合且液面晃動(dòng)這三種情況。表2給出不同情況下結(jié)構(gòu)第一階自振頻率。

由表1可知，當(dāng)儲(chǔ)水體積一定時(shí)，水塔結(jié)構(gòu)第一階自振頻率由大到小排序?yàn)椋嚎紤]流固耦合且液面晃動(dòng)情況、考慮流固耦合但液面不晃動(dòng)情況、不考慮流固耦合情況。當(dāng)水箱的儲(chǔ)水體積從10%增加到100%時(shí)，水塔結(jié)構(gòu)第一階自振頻率是隨著儲(chǔ)水體積的增加而減小，其中不考慮流固耦合情況下結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率從0.5557Hz減小到0.3808Hz，下降了31.47%；考慮流固耦合但液面不晃動(dòng)情況下結(jié)構(gòu)第一階自振頻率從0.5828Hz減小到0.4953Hz，下降了15.01%；考慮流固耦合且液面晃動(dòng)情況下結(jié)構(gòu)第一階自振頻率從0.5893Hz減小到0.5425Hz，下降了7.94%。

4、結(jié)論

本文采用ADINA有限元分析軟件，對(duì)水塔結(jié)構(gòu)進(jìn)行了自振特性分析。由分析結(jié)果得到以下主要結(jié)論：

（1）當(dāng)儲(chǔ)水體積一定時(shí)，水塔結(jié)構(gòu)第一階自振頻率由大到小排序?yàn)椋嚎紤]流固耦合且液面晃動(dòng)情況、考慮流固耦合但液面不晃動(dòng)情況、不考慮流固耦合情況。

（2）水塔結(jié)構(gòu)的第一階自振頻率均隨著儲(chǔ)水體積的增加而減小。

參考文獻(xiàn)

[1] 尚春雨，張海軍，趙建國(guó).考慮水晃動(dòng)作用時(shí)橢球形水塔的地震反應(yīng)分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2010，25（1）：15-20.

[2] 張俊，周煥林，牛忠榮.鋼筋混凝土水塔流固耦合動(dòng)力響應(yīng)分析[J].特種結(jié)構(gòu)，2011，28（2）：56-59.

[3] 中國(guó)工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).鋼筋混凝土倒錐殼不保溫水塔（04S802）.北京：中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)研究院，2004.