U形渡槽流固耦合有限元建模与响应谱分析

韩晓育　王俊

摘要：渡槽结构的振动特性分析是进行结构抗震设计与安全评价的重要内容之一。结合景泰川电力提灌二期工程的特点，考虑实际工程输水过程中水体与槽体间的耦合作用，采用ANSYS軟件中融合的流固耦合模块建立了渡槽三维有限元模型，并对3种不同水位工况进行模态计算，得出相应的固有频率和主振型特征，再将正常水位工况下的计算结果与用HHT方法辨识的结果进行对比，误差范围为0.2%-4.4%，能够满足实际工程要求，说明有限元模型的适用性较强，同时对其主振型特征进行分析总结并提出合理的建议，最后利用反应谱理论对渡槽结构进行动力响应计算，得出不同工况下渡槽结构的位移、应力响应最值及变化规律，为渡槽结构的抗震设计、后续研究和该工程的加固改造提供理论依据。

关键词：渡槽；流固耦合；有限元建模；模态参数辨识；模态分析；响应谱分析

近年来，随着国家对水利建设投资的不断加大，渡槽在各地水利工程建设中得到了广泛应用，为满足工程结构的实际需求，加强渡槽结构的分析研究是十分必要的。常用于渡槽结构理论计算的方法有结构力学法和有限元模拟法，进行结构动力计算时往往选用有限元模拟法，其能通过图像来方便、直观地反映出结构的振动特征。目前，渡槽抗震设计计算研究中考虑更多的是槽体与水体之间的流固耦合作用，且不同模型的计算结果差别很大，动力计算模型的选取还有待统一。实际工程抗震设计中只有合理地选取流固耦合仿真模型，其动力响应结果才能作为抗震设计的依据。为此，笔者以景泰川电力提灌二期工程（以下简称景电工程）中大型渡槽为研究对象，结合流固耦合理论，使用ANSYS有限元软件建立了槽体-水体-排架-基础-地基为一体的三维有限元动力模型，对渡槽结构进行了3种不同水位工况的模态计算，通过将正常水位工况下渡槽结构的自振频率与用HHT方法得到的辨识结果进行对比、分析，证实了FSI系统模型的适用性，结果精度较高，可在实际工程抗震设计计算中推广应用：最后利用基于FSI系统的有限元模型对景电工程渡槽结构进行了动力响应谱分析，其计算结果可为该工程的后期改造、加固提供理论依据。