随着城市化进程的加快和水需求的增加，越来越多的大型市政设施（如再生水厂和雨水滞留池）被建设起来，以回收水资源并减轻城市洪水[[1], [2], [3]]。在这些基础设施中，大型钢筋混凝土水箱结构是城市供水系统的关键组成部分[4]。地震对这些水箱结构的破坏（包括开裂、泄漏或结构不稳定）可能导致供水中断、储存水污染以及对相邻设施的连锁风险，从而影响地震后的应急响应和城市韧性[5]。历史上的地震事件，如1995年的日本神户地震[6]和2008年的中国汶川地震[7]，都记录了市政储水罐的严重损坏，包括墙体断裂、抬升失效和失去防水性能[8,9]，这凸显了进行严格地震性能评估的必要性。
从结构动力学的角度来看，储水罐与大多数传统民用结构有根本不同，因为水箱结构与其中所含流体之间存在强烈的耦合。在地震激励下，由此产生的流体动力压力会显著改变力的分布、变形模式和结构的使用性能[[10], [11], [12]]。尽管在海洋和航空航天工程中已经对流体-结构相互作用（FSI）问题进行了大量研究，但对于大型城市钢筋混凝土水箱结构的地震响应关注相对较少。
在中国，作为市政水基础设施的一部分，已经建造了许多大型钢筋混凝土储水罐。然而，现行的中国地震设计规范（《建筑抗震设计规范》，GB 50011–2010(2016年修订版)》[13,14]采用了简化的线性分析方法。同样，许多关于含液水箱地震响应的先前研究依赖于Haroun和Housner提出的线性晃动理论，该理论将流体动力效应分解为对流成分和冲击成分[15,16]。虽然这一理论框架被广泛采用，但它本质上仅适用于二维晃动问题和小幅度假设。因此，它无法充分表示强地面运动引起的强非线性流体行为，也无法直接应用于通常具有非常大平面尺寸和复杂内部隔板的大型钢筋混凝土市政水箱[[17], [18], [19], [20]]。这些限制共同突显了线性分析方法的适用性有限。Liu等人[21]基于振动台实验和简化的钢-混凝土复合圆柱形水箱的分析模型，证明了Housner方法和线性强迫晃动理论都无法捕捉到地震激励下的实际流体响应。Goudarzi和Sabbagh-Yazdi[22]对受地震载荷作用的矩形玻璃水箱进行了非线性晃动实验，并报告了实验观测结果与非线性数值模拟之间的良好一致性，而线性理论则显著低估了晃动波的高度，尤其是对于宽水箱而言。
然而，对于大型水箱结构来说，全尺寸振动台测试通常不切实际，而缩比模型可能会由于晃动自然频率的尺度依赖性差异而与原型行为有显著偏差。这些限制可能导致预测的地震响应出现差异。复杂的内部组件和材料非线性进一步加剧了这些限制。因此，完全耦合的非线性流体-结构相互作用数值方法为研究大型钢筋混凝土水箱结构的地震行为提供了更合适和有效的方法[[23], [24], [25], [26]]。
地面运动特性（如峰值地面加速度（PGA）和频率成分）被广泛认为是控制民用结构地震需求的关键因素。许多研究已经考察了这些效应在不同结构系统中的影响。例如，Kianoush和Ghaemmaghami[27]使用简化的FSI方法报告称，主导频率显著影响混凝土矩形水箱中的流体动力压力，而AlKhatib等人[23]证明PGA强烈控制地下水箱的地震响应。其他研究者还表明，地震频率与建筑物或桥梁的自然振动模式之间的共振会显著放大结构需求[28]。更近期的实验和数值研究进一步表明，长周期和低频地面运动可以显著放大低宽比含液结构的晃动响应和流体动力需求[29,30]，这突显了对水箱系统中频率依赖性地震效应的日益关注[31]。尽管有这些宝贵的见解，但系统地研究地震频率成分与大型钢筋混凝土市政水箱中的储水效应的关联仍然很少。大多数现有研究集中在圆柱形或小规模水箱上[[32], [33], [34]]，并且通常采用理想化的FSI公式[36]，对非线性流体运动、材料退化以及频率成分与大型矩形钢筋混凝土水箱内部复杂配置之间的相互作用考虑有限。本研究通过采用耦合欧拉-拉格朗日（CEL）框架来捕捉完整的非线性FSI行为，从而提供了对这些大型储水系统地震响应的更现实评估。
CEL方法已广泛应用于涉及空气动力学和流体力学中瞬态大变形的问题[37,38]，并越来越多地用于模拟水箱结构中的非线性FSI。Xiao等人[39]通过振动台试验验证了CEL对晃动行为和流体动力压力的预测，发现其与平滑粒子流体动力学（SPH）方法的一致性更好。Rawat等人[40]使用耦合声学-结构（CAS）和CEL方法分析了矩形和圆柱形水箱，得出CEL可以可靠地再现流体运动、压力分布和小幅度晃动的结论。基于这些发现，CEL方法可以有效解决当前设计实践中仍广泛采用的线性晃动理论和二维简化的局限性。此外，它可以通过比较关键响应量（如流体动力压力和自由表面晃动高度）来补充和验证水箱的振动台实验，从而实现对水箱动态响应的更全面研究。本研究通过与其他已发表的研究结果[41,42]的比较，进一步验证了CEL方法的适用性和准确性。利用这种经过验证的方法，研究了地面运动特性对大型钢筋混凝土水箱地震响应的影响。开发了一个详细的三维CEL模型来阐明大型水箱结构的潜在失效机制[43,44]。使用具有不同主导频率和强度的记录地震运动来评估它们对结构响应的影响。分析还评估了系统动能的演变，作为流体与结构之间能量传递的指标，提供了关于损伤机制的额外见解[45]。
本研究有两个主要贡献。首先，这是首次基于CEL的全面研究，通过完全耦合的非线性FSI分析明确研究了地面运动频率成分对大型钢筋混凝土矩形水箱地震响应的影响。与主要采用简化或线性FSI模型的先前研究相比，本研究明确考虑了非线性流体行为以及水箱结构的材料非线性。其次，在现有关于含液水箱的参数研究[27,46]的基础上，本研究系统地评估了地面运动主导频率和强度对大型钢筋混凝土水箱地震响应的影响。研究结果为关键响应因素提供了定量证据，并为大型市政钢筋混凝土水箱的地震分析和设计提供了实际指导。本文的其余部分组织如下：第2节介绍了CEL方法的理论背景及其验证；第3节描述了钢筋混凝土水箱模型和分析中使用的地面运动记录；第4节研究了地震激励下的FSI和水箱的损伤机制；第5节研究了地面运动特性对水箱地震响应的影响；第6节总结了主要结论。
