馬宗中
摘 要:本文討論了水池中關(guān)于液體動態(tài)地震力的計算原則、計算依據(jù)和計算方法。以現(xiàn)有的工程實例為依托,結(jié)合計算結(jié)果給出了液體地震力的分布情況。以此對照現(xiàn)今國內(nèi)水池設(shè)計中的情況,為水池抗震設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性提供了必要參考。
關(guān)鍵詞:水池;液體;動態(tài)地震力;沖擊力;對流力;有效參與質(zhì)量
引 言
國內(nèi)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(shè)計規(guī)范》[1]中有關(guān)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(yīng)用于水池的工程設(shè)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(chǎn)生的地震力,水池池頂自重產(chǎn)生的地震力和水池內(nèi)液體產(chǎn)生的動水壓力,其中動水壓力又包括液體的側(cè)向沖擊力、側(cè)向?qū)α髁鸵后w豎向地震力[2]。
水池池壁自重產(chǎn)生的地震力可按下式計算:
根據(jù)以上公式可以得到液體動態(tài)地震力質(zhì)量參與系數(shù)與液體寬高比的關(guān)系:
液體側(cè)向沖擊力質(zhì)量參與系數(shù)(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(cè)向?qū)α髁|(zhì)量參與系數(shù)減小幅度放緩。這說明雖然水池長度增加,但是側(cè)向沖擊力參入質(zhì)量不會快速減小。當液體的寬高比接近0時,液體側(cè)向沖擊力質(zhì)量參與系數(shù)接近于1。
液體側(cè)向?qū)α髁|(zhì)量參與系數(shù)(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(cè)向?qū)α髁|(zhì)量參與系數(shù)增大幅度放緩。這說明雖然水池長度增加,但是側(cè)向沖擊力參入質(zhì)量不會快速增加。當液體的寬高比接近0時,液體側(cè)向?qū)α髁|(zhì)量參與系數(shù)接近于0。
根據(jù)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(guān)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(shù)為:SDS=0.8,SD1=0.45。水池為地上池,長20m,寬4m,設(shè)計水深1.9m。計算所得的液體動態(tài)地震力為:
3 結(jié)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(shù)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(shù)較小(Pi/WL=0.06,Pc/WL=0.03)。
由于國內(nèi)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(shè)計中,一般采取液體的總重量為有效地震參與質(zhì)量,地震加速度與水池結(jié)構(gòu)相同。此種設(shè)計方法可能導(dǎo)致某種情況下偏于不安全,例如水池內(nèi)液體的寬厚比較小時。同時,也可能導(dǎo)致水池設(shè)計偏于浪費,例如水池內(nèi)液體寬厚比較大時。
考慮到國內(nèi)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(guān)于液體有效參與質(zhì)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(xué)研究院.水工建筑物抗震設(shè)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.