基于耐震时程法的重力坝失效概率密度演化分析

混凝土重力坝在强地震动作用下的响应,对结构的安全评价及损伤破坏模式有着深远的影响。采用耐震时程分析(ETA)法生成耐震时程加速度曲线(ETAs),获取Koyna混凝土重力坝在地震作用下的动力响应,得出结构在不同损伤评价指标下的概率密度演化过程及失效概率时程曲线。建立Koyna混凝土重力坝有限元模型,模拟坝体在ETA时程下(对应均匀增加的峰值加速度)的动力响应及损伤过程;采用塑性耗散能、损伤耗散能、损伤体积及基准损伤体积作为损伤评价指标,基于概率密度演化(PDE)理论,建立其概率密度演化模型,利用概率密度演化法计算不同损伤评价指标下的概率密度曲线随ETA时程的演化过程;选取2个典型破坏状态分别作为中等破坏、严重破坏的评价标准,结合概率密度曲线与失效概率的关系,分析并比较不同损伤评价指标、不同评价标准下的失效概率时程曲线,实现了坝体在不同峰值加速度地震动下的失效概率分析评价。对于以往的研究结果,损伤评价指标服从正态分布只是一种假定,并没有详细的依据,从本文的分析结果可以看出:损伤评价指标的概率密度分布结果只是近似于正态分布的形式,用PDE法得到的损伤评价指标的概率分布结果与正态分布的形式有一定的偏差;基于耐震时程加速度曲线下的概率密度演化过程具有较高的计算效率及精度,与正态分布假定相比具有明显的偏峰,更趋近于真实的概率分布;选取塑性耗散能、损伤耗散能作为损伤评价指标可以更保守地表征坝体在不同地震动强度下的失效概率。     

地震动强度指标与高拱坝响应的相关性

为了在高拱坝动力时程分析中采用合适的地震动强度指标选择和调整地震记录,将12种地震动强度指标进行分类,并对其中3种提出改进.以某300 m级高拱坝为例,通过一系列非线性动力时程分析研究这15种地震动强度指标与高拱坝响应的相关性.结果表明,融合结构特征得到的地震动强度指标的相关性明显好于直接由地震动本身得到的指标;考虑一定周期范围的指标的相关性更优于只考虑结构基本周期的指标.改进后的3个强度指标能够更好地反映与结构响应的相关性和地震动表征的准确性,为高拱坝抗震设计中地震动的重构提供理论依据.     

基于拱冠位移的拱坝地震易损性

选取一系列地震波对同时考虑材料非线性和横缝非连续接触的拱坝进行大量的动力时程分析,以拱冠最大位移为响应参数定义3个性能水准,结合通过结构反应回归分析得到的概率地震需求模型,建立在地震作用下基于拱冠位移的拱坝易损性曲线,比较不同地震动参数表示下概率地震需求模型以及易损性曲线的区别.利用易损性曲线计算拱坝在不同大小地震作用下处于各级性能水准的概率,为基于性能的拱坝抗震安全评价提供了理论依据.     

强震作用下特高拱坝动力响应及损伤特征研究

我国的特高拱坝多建于西南地区,西南地区处于地震多发区,且震级大、烈度高,因此特高拱坝的抗震安全一直是重点关注问题。本文以位于强震区的大岗山特高拱坝为研究对象,采用真实破裂过程分析软件RFPA^3D-Dynamics开展地震动力响应数值模拟。研究了地震作用下坝体变形、应力变化规律,根据损伤演化及声发射变化规律提出大岗山拱坝地震作用下的潜在失稳损伤区域。研究结果表明：拱坝坝体内部随地震波扰动发生局部应力集中、应力释放现象,拱坝在设计地震波(地震峰值加速度0.557 5 g)作用下能够依靠自身结构调整,保持变形协调,应力分布合理,无大规模损伤破坏。在1.5倍设计地震波情况下,拱坝顺河向位移突变量超过240 mm,远超坝体正常位移变形范围,此时拱坝发生大规模损伤开裂现象,且主要损伤开裂区域为拱冠梁顶部及左右半拱中上部区域。通过研究拱坝地震荷载作用下的动态响应特征,分析损伤演化规律,能够较为直观地判断拱坝易受损区域和掌握拱坝工作性态。     

高拱坝掺合氧化镁膨胀变形对横缝开度的影响

运用三维瞬态非线性有限元方法,考虑不同掺量氧化镁自生体积变形的影响,对李家峡双曲拱坝进行全过程动态仿真敏感性分析,详细探讨掺合氧化镁膨胀变形对横缝开度的影响.同时将横缝开度仿真结果与李家峡实测结果相对比,吻合良好.根据仿真分析,外掺氧化镁对拱坝横缝开度的影响主要表现在一期冷却之后,由于早期膨胀变形产生预压应力,增大了后期横缝张开的阻力.相同条件下,氧化镁掺量越大横缝开度终值越小,甚至不满足灌浆要求.并根据仿真计算指出横缝开度是高拱坝氧化镁掺量的控制性因素,对李家峡双曲拱坝及相类似工程,氧化镁掺合量宜取2.5%.     

采用球面键槽的高拱坝横缝开度仿真分析

采用三维有限厚度带球面键槽接缝单元模拟拱坝横缝,推导了球面键槽的接触物理方程,探讨了球面键槽的最优中心角.在三维瞬态温度场仿真计算结果的基础上,利用三维瞬态非线性有限元方法对小湾拱坝横缝开度进行了全过程仿真分析.计算中考虑了坝体材料的热力学性能、浇筑过程、环境温度变化、封拱和蓄水过程以及接缝在灌浆前后的不同力学性质等因素.计算结果表明,小湾拱坝大部分灌区横缝开度满足灌浆要求,灌浆后蓄水对横缝有压紧作用,不存在二次灌浆问题.     

高拱坝抗震设计分析

对高拱坝的抗震设计进行了分析,包括拱坝坝体-地基-库水动力相互作用分析、高拱坝坝肩抗震稳定分析、横缝对高拱坝抗震设计的影响,仅对高拱坝抗震设计研究的几个方面进行了概括总结.     

混凝土坝的接缝灌浆压力

各类混凝土坝型,采用纵缝分块的临时性纵缝、拱坝横缝以及在其它横向有整体性要求的混凝土坝横缝,习惯上都称为坝体的接缝。这些不同类型的坝体接缝,在施工上都必须采取处理措施,以保证坝体的整体性。目前国内外广泛采取的有效措施,就是接缝灌浆。     

混凝土重力拱坝极限抗震能力评价方法初探

从基于性能的抗震设防标准及理论出发,坝体某个关键性能破坏便可能影响大坝的正常运行,单一的评价准则已经不能满足对大坝极限抗震能力评估的要求。针对混凝土重力拱坝的结构特点,基于混凝土弥散裂缝模型,利用地震动超载时域分析方法,从收敛性、地震位移响应突变、塑性区贯通、坝体开裂破坏等方面,对国内某重力拱坝极限抗震能力进行了探讨和研究。研究表明,该重力拱坝的极限抗震能力为0.51g,顶拱中部是坝体相对薄弱的高地震响应区。     

输电塔线体系在地震动水平-摇摆耦合作用下的响应研究

通过数值模拟对输电塔线体系在地震动水平-摇摆耦合作用下的响应进行了研究。采用有限元程序分别建立了单塔和塔线耦合体系的三维有限元模型,进行模态分析和动力时程分析。对单塔和塔线体系的动力特性和在水平、摇摆和水平-摇摆耦合地震作用下的响应时程分析结果进行了对比研究。结果表明,输电线对输电塔横导线方向和顺导线方向的地震响应的影响不同,将减小输电塔横导线方向的地震效应,而将增大输电塔顺导线方向的地震效应;相比单一水平地震作用,输电塔线体系在地震动水平-摇摆耦合作用下的响应更加显著。对于输电塔等高柔结构来说,抗震设计时考虑地震动摇摆分量的影响是很有必要的。     

横桥向地震作用对钢拱桥地震损伤发展的影响

为了研究横桥向地震作用对钢拱桥结构地震损伤发展的影响,以一座实际中承式钢拱桥为对象,建立考虑损伤区局部变形影响的全桥混合有限元（FE）模型. 通过对结构进行不同峰值加速度地震作用下的弹塑性地震反应计算,对比分析在空间三维地震作用和仅在桥梁面内地震作用下钢拱桥的损伤发展情况. 结果表明,横桥向地震动输入虽然不改变钢拱桥面内的位移时程响应及地震塑性损伤区域的分布位置,但会增大钢板发生局部变形的程度并加速焊接节点超低周疲劳损伤的发展,从而增大结构发生局部失稳破坏和超低周疲劳破坏的可能性. 在钢拱桥的抗震设计中宜同时考虑3个方向的地震作用,以确保结构的抗震安全.     

Seismic damage-cracking analysis of arch dams using different earthquake input mechanisms

In this study, a nonlinear model is presented for analysis of damage-cracking behavior in arch dams during strong earthquakes using different seismic input mechanisms. The nonlinear system includes a plastic-damage model for cyclic loading of concrete considering strain softening and a contact boundary model of contraction joint opening. Two different earthquake input mechanisms are used for comparison, including massless foundation input model and viscous-spring boundary model considering radiation damping due to infinite canyon. The results demonstrate that effects of seismic input mechanism and radiation damping on nonlinear response and damage-cracking of the dam are significant. Compared with the results of using massless foundation input model, the damage-cracking region and contraction joint opening are substantially reduced when using viscous-spring boundary model to take into account radiation damping. However, if the damping ratio of the dam is artificially increased to about 10%―15% for massless foundation input model, the joint opening and damage-cracking of the dam are comparable to the results obtained from the viscous-spring boundary model.     

Seismic performance assessment of high CFRDs based on fragility analysis

Due to a large number of high concrete face rockfill dams(CFRDs) being constructed, the seismic safety is crucially important and seismic performance assessment must be performed for such dams. Fragility analysis is a method of great vitality for seismic performance assessment; it can intuitively forecast the structural effects of different ground motion intensities and provide an effective path for structure safety assessment. However, this method is rarely applied in the field of high earth dam risk analysis.This paper introduces fragility analysis into the field of high CFRD safety assessment and establishes seismic performance assessment methods. PGA, Sa(T1, 5%), PGV and PGD are exploited as the earthquake intensity measure(IMs). Relative settlement ratio of dam crest, cumulative sliding displacement of dam slope stability and a new face-slab destroying index(based on DCR and COD) are regarded as the dam damage measures(DMs). The dividing standards of failure grades of high CFRDs are suggested based on each DM. Fragility function is estimated according to incremental dynamic analysis(IDA) and multiple stripes analysis(MSA) methods respectively from a large number of finite element calculations of a certain CFRD, and seismic fragility curves are determined for each DM. Finally, this study analyzes the failure probabilities of the dam under different earthquake intensities and can provide references and bases for the seismic performance design and safety risk assessment of high CFRDs.     

德泽面板堆石坝地震响应及抗震措施

采用三维非线性有效应力地震反应分析及安全评价的方法,分析了德泽面板堆石坝在正常蓄水位和地震共同作用下的动力响应,包括加速度响应、应力响应和位移响应,进而分析了坝体的抗震安全性;采用动力时程线法和动力等效值法分析了面板及下游坝坡在地震作用下的边坡抗滑稳定性;在动力反应成果分析的基础上,针对性地提出了相应的大坝抗震措施.研究结果表明:德泽面板堆石坝在设计地震作用下整体是稳定的,但在强震作用下有局部损坏,可修复使用,采用相应抗震措施可减轻震害,确保大坝的整体安全.地震响应分析成果及相应的抗震措施对类似工程具有重要的参考价值.     

基于非线性有限元的高拱坝坝肩稳定性分析-研究生论坛

处于复杂地质条件下的拱坝,坝肩岩体稳定性问题是其发生事故的重要原因之一。某水电站拱坝右坝肩发育有靠近坝体的蚀变集中带及沿该集中带的多条断层,左坝肩在坝肩槽不同高程有多条断层出露,地形地质复杂。为了正确合理地研究其坝肩岩体的稳定特性,根据水电站坝址区地形地质条件,充分考虑拱坝左右坝肩的主要断层及蚀变带等不利地质构造,建立三维有限元模型,模拟拱坝及坝区岩体在正常运行及温降工况下的应力场,采用点安全系数法分析坝肩岩体在加固和未加固的情况下的稳定性,并运用综合强度储备法评价坝肩的极限承载能力。研究结果表明,坝肩岩体点安全系数均处于合理范围内且相对较高,综合安全系数相对较大,说明坝基加固措施合理有效,坝肩具有较强的承载能力。     

CFRP-EMD加固灌浆套筒连接装配式桥墩振动台试验

为研究受力筋灌浆套筒连接装配式混凝土桥墩的抗震加固方法,以受力筋灌浆套筒连接装配式混凝土桥墩和灌浆套筒-预应力筋连接装配式混凝土桥墩为研究对象,设计制作了两个1/6缩尺模型,并依据二者的震害特点提出了一种采用碳纤维复合材料-外置金属耗能装置(简称CFRP-EMD)的组合加固方法。选取近断层地震波作为输入,开展了单、双向激励下模型桥墩的振动台试验,从试验现象、基本动力特性、地震响应规律等方面分析了CFRP-EMD对两类装配式混凝土桥墩的加固效果。结果表明：地震作用下两类试件的主要震损包括墩身开裂、墩底接缝开合、接缝混凝土剥落压碎等;附加预应力筋连接可提高构件刚度和自复位能力,降低墩身和接缝的损伤速率和损伤程度;采用CFRP-EMD组合加固能够显著提高震损装配式构件的刚度、抗震变形能力和耗能能力;CFRP-EMD加固后灌浆套筒-预应力筋连接装配式混凝土桥墩的塑性变形更加合理。提出的组合加固设计方法和实施原则可用于装配式混凝土桥墩抗震加固中。     

高拱坝-坝基系统的三维静力非线性数值分析

高拱坝收缩横缝和坝肩节理岩体的结构非线性特性对坝体应力、变形影响显著，是高拱坝分析中的一个重点和难点问题．针对高拱坝的这一特点，本文采用动接触单元模型，开发研制了修正的中心差分时步积分法，运用静力问题动力计算法，对在建的小湾拱坝系统进行了三维静力非线性数值仿真试验，研究了坝体、坝肩结构非线性特性对坝体的影响。通过本文的数值分析可以得出，高拱坝坝体—坝基系统的结构非线性特性对拱坝梁向应力影响显著，增加了坝体的倒悬效果；同时，数值分析进一步说明，在高水位运行期，小湾拱坝—坝基系统整体稳定。