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钢筋混凝土水塔是工业与民用建筑常用的给排水工程构筑物,主要由水箱、支承和基础组成,荷载主要集中在上部。在水塔结构抗震设计中,通常将水体视为刚体,质量全部加到水塔顶部,其结果夸大了水的地震惯性力作用,导致水箱最大位移和支座处弯矩也与实际不符。因此,水塔在地震荷载下的运动应按流固耦合问题求解,考虑水体晃动对结构产生的影响。
本文首先简要介绍了流固耦合分类及国内外研究现状,并介绍了流固耦合数值理论与计算方法;然后采用基于位移——压力格式的流固耦合数值理论,建立了水塔流固耦合动力计算模型和地震条件下水塔有限元动力方程;最后以芜湖铸造厂1500m3事故水塔为工程实例,借助ANSYS软件进行了水塔流固耦合模态分析和时程分析,研究了水体晃动对水塔固有频率及振型的影响,以及地震激励下水塔水平位移响应,分析了水体晃动对结构的减震效果。
研究结果表明:水体的晃动会影响结构的自振频率;满箱的自振频率比空箱有所降低,且第一阶频率降低最多,频率越高,降低越少;水塔自身刚度愈大,动水压力对水塔结构自振频率影响愈小;水体的晃动作用能够减小水塔的地震位移反应。