地面式鋼筋混凝土水池自愈、 滲漏試驗及地震響應(yīng)分析

高　霖

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

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地面式鋼筋混凝土水池自愈、 滲漏試驗及地震響應(yīng)分析

高霖

(中國地震局工程力學(xué)研究所, 哈爾濱150080)

鋼筋混凝土水池在供水系統(tǒng)中承擔(dān)著凈水、 儲水的重要功能， 是典型的儲液結(jié)構(gòu)。 裂縫的出現(xiàn)會加速鋼筋銹蝕、 降低結(jié)構(gòu)耐久性， 且結(jié)構(gòu)設(shè)計中裂縫寬度限值很大程度上決定了配筋量。 水池在地震作用下易出現(xiàn)裂縫， 裂縫可能導(dǎo)致儲液滲漏， 造成水池服務(wù)功能下降甚至喪失， 并在一定程度上影響整個系統(tǒng)的功能。 震后儲液結(jié)構(gòu)的裂縫開展情況及由此導(dǎo)致儲液滲漏程度是評判水池地震破壞等級的主要標(biāo)準(zhǔn)。 目前， 已有研究成果表明， 混凝土裂縫在與水接觸條件下會發(fā)生自愈使原有裂縫寬度減小， 水池由于儲水為裂縫的自愈提供了必要條件。 因此， 應(yīng)考慮承載力、 耐久性、 服務(wù)功能、 經(jīng)濟(jì)性、 裂縫自愈性能及震后維修加固可行性等因素綜合確定水池結(jié)構(gòu)設(shè)計和地震破壞等級劃分標(biāo)準(zhǔn)中的裂縫限值。

儲液結(jié)構(gòu)在地震作用下存在液固耦合效應(yīng)且液體會發(fā)生晃動， 儲液的存在改變了結(jié)構(gòu)的動力特性和地震響應(yīng)。 水池結(jié)構(gòu)除受到結(jié)構(gòu)本身慣性力和靜水壓力外， 其底部和側(cè)壁還承受液體在垂直壁面方向上產(chǎn)生的動水壓力。 水池在抗震設(shè)計中需考慮液面晃動和動水壓力的影響。 現(xiàn)階段， 對鋼筋混凝土水池裂縫自愈性能、 滲漏特性及水池在地震作用下的液固耦合動力特性和地震響應(yīng)的研究尚不完善。 本文通過鋼筋混凝土水池壁板彎曲裂縫和貫通裂縫自愈、 滲漏試驗研究混凝土裂縫的自愈性能及滲漏特性， 采用大型有限元軟件ADINA進(jìn)行圓形水池地震響應(yīng)分析， 研究液固耦合系統(tǒng)的動力特性、 儲液晃動、 動水壓力及破壞特征等。 論文主要完成了如下工作：

(1) 設(shè)計并完成了鋼筋混凝土水池壁板彎曲裂縫和貫通裂縫的自愈及滲漏試驗。 進(jìn)行了材料性能試驗； 對靜水環(huán)境中彎曲微裂縫、 流動水環(huán)境中貫通裂縫的自愈性能進(jìn)行了測試， 給出了彎曲微裂縫在靜水環(huán)境中短期內(nèi)的自愈合寬度， 證實了貫通裂縫在流動水環(huán)境中仍會發(fā)生自愈合； 在裂縫上施加實際水頭作用測試了彎曲裂縫和貫通裂縫的滲漏特性， 研究了彎曲裂縫寬度、 受壓區(qū)高度及作用水頭對液體滲漏的影響， 分析了貫通裂縫水的滲漏率與累計時間和水頭高度之間的關(guān)系。 通過試驗得到裂縫特性與自愈及滲漏之間的關(guān)系， 為水池結(jié)構(gòu)設(shè)計和地震破壞等級劃分提供參考。

(2) 對地面式圓形水池進(jìn)行了液固耦合動力特性分析， 液固耦合系統(tǒng)包括剛體模態(tài)、 儲液晃動模態(tài)和液固耦聯(lián)振動模態(tài)3種形式。 研究了儲水高度、 水池半徑、 液體表面重力波對液固耦合系統(tǒng)動力特性的影響。 此外， 對比了圓形水池儲液晃動頻率的理論和有限元計算結(jié)果， 驗證了模型的可靠性， 且推導(dǎo)得到圓形水池儲液晃動基本周期計算公式。

(3) 分析了單向水平地震作用下不同水池半徑、 不同儲水高度圓形水池的液面最大晃動波高， 擬合得到了圓形水池單向地震作用下的液面最大晃動波高計算公式。 公式可用于儲液結(jié)構(gòu)地震作用下的最大晃動波高估計和儲液結(jié)構(gòu)最大晃動波高設(shè)計。 結(jié)合儲液結(jié)構(gòu)長周期抗震設(shè)計反應(yīng)譜和阻尼比修正系數(shù)， 提出了儲水水池液面最大晃動波高計算方法。

(4) 研究了單向水平地震作用下， 不同水池半徑、 不同儲水高度圓形水池池壁、 底板環(huán)向和徑向位置的動水壓力數(shù)值及分布情況， 并與理論計算結(jié)果進(jìn)行了對比； 分析了地震動峰值加速度、 儲水高度、 水池半徑對動水壓力的影響； 確定了對流壓力與脈沖壓力的疊加方法； 擬合得到對流壓力、 脈沖壓力及動水壓力計算公式； 結(jié)合底板環(huán)向動水壓力分布， 綜合給出單向水平地震作用下圓形水池動水壓力標(biāo)準(zhǔn)值， 與較復(fù)雜的理論計算方法和僅考慮脈沖壓力的規(guī)范法相比， 計算更簡便且與實際相符。 此外， 還分析了液面和池底動水壓力的時程變化。

(5) 進(jìn)行了雙向水平地震動作用下圓形水池的地震響應(yīng)分析， 提取了液面最大晃動波高和動水壓力計算結(jié)果； 基于單向水平地震動作用下的響應(yīng)結(jié)果， 通過合理的組合方式給出了雙向水平地震動作用下的液面最大晃動波高和動水壓力計算公式， 建立了雙向水平地震作用下儲水水池液面最大晃動波高和動水壓力計算方法； 并對雙向水平地震作用下圓形水池地震破壞特征和易損性進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞供水系統(tǒng)； 水池； 裂縫自愈； 儲液滲漏； ADINA； 液固耦合； 動力特性； 動力響應(yīng)； 晃動波高； 脈沖壓力； 對流壓力； 動水壓力

(作者電子信箱， 高霖： gaolin32@163.com)

中圖分類號：TU991.34+3；

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A；

doi:10.3969/j.issn.0235-4975.2016.03.016