摘 要：本文基于有限元软件Ansys，利用三维声学单元FLUID30反映渡槽内水体受到固体边界的反射与吸收作用，模拟了位移—压力（ui，p）理论下的流固耦合作用，选取三种典型工况对渡槽的自振频率进行分析，证明槽内水体晃动有利于提高渡槽的抗震性能。基于模态分析的结果，对渡槽进行反应谱动力响应分析，表明水体晃动有利于减小渡槽非地震向的位移，进一步研究渡槽在典型工况下位移和应力的分布规律，为渡槽的优化设计和施工质量管理提供依据。
关键词：流固耦合 渡槽 有限元 地震响应 应力分析
在水利工程中，渡槽是一种重要的水工建筑物，用以水资源的长距离输送，并且可以跨越一定的障碍物，因此在工程中被广为使用。但是由于渡槽一般具有跨度大，侧向刚度低的特点，容易受到地震破坏，而渡槽的损坏将在一定程度上造成输水的中断，因此要对渡槽进行抗震研究 。
由于渡槽具有过水的功能，对渡槽结构进行抗震分析时需要考虑渡槽—水体的作用，如今国内外研究流固耦合主要采用Westergaard附加质量法，该方法倾向于研究渡槽和水体之间的线性作用，而不能反映槽身对水流晃动所产生能量的吸收作用，因此在计算结果中渡槽对地震的响应比实际情况稍大。
1.研究理论
为了进一步弥补Westergaard附加质量法的缺陷，真实地反映过水条件下渡槽结构实际的边界条件和响应规律，得到准确的计算结果，本文以位移—压力（ui，p）有限元理论为基础，在Ansys有限元软件中建立渡槽和水流模型，选用合适的单元对流固耦合（FSI）系统进行模拟。
Ansys中的流体声单元FLUID30具有八个节点，并且八个节点在三维坐标系内都具有X、Y、Z三个方向的自由度以及一个压力自由度P，能够体现二次压力行为，可以在流固耦合系统中模拟水体的晃动，并且反映渡槽固体边界对晃动水流能量的反射与吸收。
因此，在研究水体晃动对槽身作用时，假设水流是理想液体，即满足不可压缩和粘滞力为零两个条件，然后根据流固耦合中的位移—压力（ui，p）理论，采取三维声单元FLUID30模拟渡槽内的水流，水流和渡槽侧壁两种介质的接触面选用有限元软件中的FSI耦合面反映，形成一个水流—渡槽的流固耦合系统。
2.工程实例
渡王家渡槽位于抚州市廖坊水利枢纽工程，由于跨度长，结合实际地形采用梁式渡槽和拱式渡槽相结合的结构形式，其中拱式渡槽部分的槽身、拱圈肋拱和排架立柱使用预制钢筋混凝土，整体属于上承肋混凝土结构，槽身采用矩形截面形式。拱式渡槽的槽身净宽、槽身底部厚度、槽身侧墙厚度和高度分别为3.2m、0.25m、0.2m和2.5m，分为两跨拱段和三跨拱段两部分。本文以三跨拱段为研究对象，该段的设计水深采用1.42m，三跨拱圈的拱轴线都采用跨度60m，矢跨比4/9的悬链线形式，在两侧地基和中间肋拱上有若干排架立柱，在间距为2.95m的肋拱之间均匀存在15根横系梁。
本文依托有限元软件Ansys研究渡槽的动力性能，建立有限元分析模型如图1所示，为分析该结构频率和振型随着水深的变化规律，要先对渡槽模型进行模态分析，随后基于模态分析结果用反应谱法计算其动力响应。在模型中，建立三维直角坐标系，分别选取沿槽身纵向、竖直方向和沿槽身横向作为三维直角坐标系的X轴、Y轴和Z轴，分别选取SOLID45实体单元和FLUID30聲单元对渡槽结构和槽内水流进行模拟，渡槽槽身、拱圈和横系梁采用C40混凝土，槽墩和排架柱采用C25混凝土。
3.水体晃动对渡槽抗震性能的影响
3.1 模态分析
在渡槽地震响应分析中，模态分析是研究结构固有属性的基础性分析，可以得到结构的各阶自振频率和每一阶频率下的振型，模态分析的结果取决于结构自身的属性，即质量大小及分布情况、结构刚度等物理属性。若地震频率接近渡槽本身的某一阶频率，结构将产生显著的地震响应，即在地震荷载的作用下剧烈振动，此时不利于渡槽结构的稳定安全。因此，本文以模态分析的结果为依据，进而评判槽内水深变化下渡槽结构的共振情况，考虑实际工程中渡槽运行条件，分析三种荷载工况下的渡槽地震响应：（1）结构自重+自重；（2）结构自重+满槽水深下的水重+地震；（3）；结构自重+设计水深下的水重+地震。
为分析渡槽结构自振特性随水流晃动的变化规律，选取三个工况下前二十阶的模态分析结果进行对比如图2所示，发现当水流通过渡槽时结构各阶振型对应的自振频率有所下降，说明在地震荷载下槽内水体的晃动能够减小渡槽结构的频率，有利于保持渡槽结构的稳定，随着水深的增加，水流对结构自振频率的降低作用也在增强。
3.2 地震响应计算
针对不同工况对渡槽进行反应谱分析，结果见表1，发现在过水条件下顺槽向位移和竖直向位移略有增加，说明水体晃动有利于降低渡槽非地震向的位移。满槽过水条件下渡槽的应力取得最大值，为最不利工况，因此对满槽水深工况下的渡槽进行计算分析。
在该工况下，渡槽结构的应力见图3，第一主应力于支座和排架相接处取得最值0.896MPa，体现为拉应力，小于规范允许值1.27MPa；第三主应力于横系梁和排架相接处取得最值-1.590MPa，体现为压应力，小于规范允许值11.9MPa，两者皆满足规范要求，而满槽过水状态下渡槽的整体位移较小，故整体而言，渡槽结构满足安全要求。
4.结论
本文基于Ansys有限元分析软件，用位移—压力（ui，p）格式模拟水流和槽身的耦合作用，以廖坊水利工程渡王家渡槽为例，研究水体晃动对渡槽抗震性能的影响，并计算了渡槽在最不利工况下的应力，得出以下结论：
（1）过水条件下渡槽的自振频率有所降低，且非地震向的位移有所降低，说明水流的作用可以提高渡槽的抗震性能，且渡槽的自振频率随着水深的增加而减少。
（2）最不利工况（满槽过水工况）下，渡槽最大应力小于混凝土强度设计值，满足规范要求，最大应力出现在支座和排架、横系梁和排架相连接处，在施工质量管控中应对此进行关注。
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