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。在我國近幾年的一些大地震和強臺風中，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、儲水體積等因素對水塔結構自振頻率的影響。

[關鍵詞]鋼筋混凝土水塔 流固耦合 自振頻率

中圖分類號：TM722 文獻標識碼：A 文章編號：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構的一種，主要由水箱、支筒以及基礎組成，具有結構緊湊、造型優(yōu)美、機械化程度高等優(yōu)點。地震發(fā)生時，水塔結構會發(fā)生振動和變形，從而引起水體的晃動，水體的晃動會以動液壓的形式作用于水箱，又會改變水塔結構的振動與變形狀態(tài)，這種相互作用將在不同條件下產(chǎn)生復雜的流固耦合現(xiàn)象。Abramson用線性理論對容器內(nèi)液體小振幅的液面晃動進行了數(shù)值模擬；Chen等用歐拉方程對矩形容器內(nèi)液體在地震作用下大振幅晃動的非線性問題進行了數(shù)值模擬；一些學者[1，2]用有限元法對液體液面晃動問題模擬得到一些理想的結果。

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。水箱的設計最大儲水量為200m3，設計滿水高度為3.148m。

2、模型參數(shù)

本文采用ADINA有限元軟件進行分析，對倒錐殼水塔的支筒、水箱均采用八節(jié)點六面體3D實體單元，對水塔中的水體采用八節(jié)點六面體3D勢流體單元。水塔結構的有限元分析模型如圖1所示。在水箱中的水體表面處設置自由液面邊界條件來模擬液面晃動。流固耦合邊界處勢流體單元的節(jié)點與結構單元的節(jié)點必須一一對應，軟件在求解初始化時可以自動確定流固耦合邊界。

水箱混凝土標號為C30，泊松比μ=0.2，密度ρ=2500kg/m3，彈性模量E=3×104MPa；支筒混凝土標號為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水狀態(tài)水塔結構前四十階自振頻率，其中包括不考慮流固耦合、考慮流固耦合但液面不晃動、考慮流固耦合且液面晃動這三種情況。表2給出不同情況下結構第一階自振頻率。

由表1可知，當儲水體積一定時，水塔結構第一階自振頻率由大到小排序為：考慮流固耦合且液面晃動情況、考慮流固耦合但液面不晃動情況、不考慮流固耦合情況。當水箱的儲水體積從10%增加到100%時，水塔結構第一階自振頻率是隨著儲水體積的增加而減小，其中不考慮流固耦合情況下結構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情況下結構第一階自振頻率從0.5828Hz減小到0.4953Hz，下降了15.01%；考慮流固耦合且液面晃動情況下結構第一階自振頻率從0.5893Hz減小到0.5425Hz，下降了7.94%。

4、結論

本文采用ADINA有限元分析軟件，對水塔結構進行了自振特性分析。由分析結果得到以下主要結論：

（1）當儲水體積一定時，水塔結構第一階自振頻率由大到小排序為：考慮流固耦合且液面晃動情況、考慮流固耦合但液面不晃動情況、不考慮流固耦合情況。

（2）水塔結構的第一階自振頻率均隨著儲水體積的增加而減小。

參考文獻

[1] 尚春雨，張海軍，趙建國.考慮水晃動作用時橢球形水塔的地震反應分析[J].鋼結構，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力響應分析[J].特種結構，2011，28（2）：56-59.

[3] 中國工程建設標準化協(xié)會.鋼筋混凝土倒錐殼不保溫水塔（04S802）.北京：中國建筑標準研究院，2004.