高进水塔地震波斜波入射有限元分析

在水工结构抗震动力分析中,反应谱和时程分析都是基于地震波垂直入射来考虑地震荷载的影响,而实际地震波的传播方向往往是斜波入射。斜入射地震波会引起地面运动的非一致变化,从而对结构产生很大的影响。基于波动理论和黏弹性人工边界波动输入方法,采用有限元模拟地震波斜波入射,并比较在45°斜波入射情况下进水塔与基岩接触的上游建基面、塔背回填混凝土与塔身接触位置等关键部位的顺水流向和竖向加速度、位移、应力时程曲线,结果表明,采用黏弹性人工边界等效荷载方法可以实现地震波斜入射的输入,计算结果与理论分析结果一致。     

基于黏弹性人工边界的拱坝动力响应分析

无限地基的辐射阻尼是影响拱坝地震反应的一个重要因素,无限边界的处理方法很多,其中黏弹性人工边界具有较高的计算精度和计算效率、较好的稳定性,同时程序容易实现。基于黏弹性人工边界的基本原理,以Ansys为计算平台,采用声学流体单元fluid30模拟库水,在坝基截断边界添加弹簧-阻尼单元以考虑无限地基的辐射阻尼影响;并以锦屏一级高拱坝在El Centro地震波作用下的动力响应分析为例,对不考虑坝基辐射阻尼与采用黏弹性人工边界两种计算方法的计算结果进行比较。结果表明,采用黏弹性人工边界条件后的动力响应(动水压力、位移、主应力)均有所降低,坝顶拱冠处的应力分布更为合理,动力响应时程滞后;验证了该边界条件的吸能效果。该方法计算效率高、稳定性好,克服了透射边界与有限元相结合的方法存在高频失稳问题的缺陷。     

基于三维黏弹性边界的混凝土重力坝抗震性能分析

为进一步推动三维黏弹性人工边界在坝工抗震领域的研究和应用,更为方便地实现边界设置和波动输入方法与大型商业软件相结合,基于黏弹性边界基本理论及ANSYS有限元软件中的弹簧—阻尼单元,编制了三维黏弹性人工边界程序,该程序可有效求出边界结点的等效荷载,从而可以实现黏弹性边界单元的波动输入。然后,通过数值算例验证得出地表位移最大值接近入射波幅值的2倍,说明该程序的计算结果具有较高的精度。最后,将黏弹性边界单元及地震波入射方法应用到巴基斯坦玛尔水电站典型溢流坝段的抗震分析中,计算结果显示,在设计地震作用下坝体的动力响应峰值较固定边界下可减小20%~40%,说明考虑无限地基阻尼影响是很有必要的。     

层状边坡的地震动输入方法研究

层状边坡是自然界中最常见的边坡之一,研究其动力响应规律对边坡的稳定性评价具有重要意义。为真实模拟弹性波在层状地基中的传播过程,首先建立层状地基的黏弹性人工边界模型,然后根据波动力学理论推导了考虑介质交界面的一次反射的等效荷载计算公式,并通过两层地基算例验证该输入方法的精度;针对层状边坡,采用本文提出的地震动输入方法和一种传统的输入方法分别研究其动力响应规律。研究表明:在两层地基算例中,本文提出的地震动输入方法能较好满足工程抗震的精度要求;在边坡的动力分析中,与传统方法相比,采用本文方法的边坡塑性应变能累积效应更加明显,且动力安全系数相对较小。     

地震波斜入射下混凝土重力坝的塑性损伤响应分析

我国西南强震区建设有大量混凝土坝,复杂地形条件下地震波入射角度对混凝土坝动力响应影响较大,然而,目前相关研究以线弹性模型为主,在合理考虑坝体的真实破坏状态方面存在局限性。本文以Koyna混凝土重力坝为研究对象,建立三维非线性有限元分析模型,采用了基于黏弹性边界的地震波动输入方法,结合塑性损伤模型分别分析了地震P波和SV波斜入射下坝体的动力响应,并提出地震破坏评价模型对震后坝体损伤进行评估。研究表明,地震波入射角度及波型对坝体动力响应影响较大,P波入射下位移应力和损伤在60°时达到最大,SV波入射下在0°时达到最大,证明了考虑地震波入射角的必要性;采用塑性损伤本构结合损伤评价指标合理地反映了坝体破坏程度,并针对薄弱地区提出抗震设计改进。因此,在同类型工程的安全评价中应该综合考虑地震波斜入射和筑坝材料的非线性特征。     

非一致地震作用下高坝-复杂地基体系动力响应分析

地震波场的构建与输入是高坝抗震分析的关键。本文提出了一种适用于三维成层场地的自由波场时域化求解方法,并在此基础上建立了远置层界面模型以分离上行和下行波场,以解决不规则场地和断层分布等复杂地质条件;进而结合不同波型的连续性特征与振动特性,利用几何推导将单列节点位移推广至整个空间场地,以提高计算效率;并采用改进的波动输入方法将复杂波场转换为地基边界上的等效节点力。本文重点研究了精细化的三维高坝-地基体系在垂直和倾斜入射SV波作用下的动力响应,并与均质地基条件下的结果进行对比。结果表明：非一致地震波作用下坝体结构动力响应的空间差异性显著,坝顶不同位置的位移极值响应可相差至80%;SV波倾斜入射时坝体振动响应远大于垂直入射的情况,位移极值可相差2~3倍,高应力区时段相差较大,且整个体系的拉裂破坏范围更广;复杂地质条件会加剧坝体的损伤情况,且对较大应力区的产生时间与分布情况有显著影响。研究结果证实了综合考虑地震波的非一致特性与场地地质条件的必要性,可为其他大型工程结构抗震响应分析提供参考。     

非一致地震动输入下高面板坝地震反应特性

为研究地震波非一致输入对三维高面板坝动力反应的影响,采用波场分离的思路将人工动力边界处的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场和局部场地效应引起的散射场,借助黏弹性边界建立地震波在自由场作用下地震动非一致输入,实现考虑地基辐射阻尼和地震波行波效应的地震动输入。对我国西南地区某高面板坝进行非一致地震动反应分析,研究P波和SV波作用下坝体结构的动力反应规律。结果表明:当P波非一致输入时,随着入射角度的增加,竖向加速度和动位移极值逐渐减小,水平向加速度和动位移极值逐渐增大;SV波非一致输入时,地震动反应规律与P波入射时相反。入射角度对地震波的行波效应以及坝顶加速度反应谱幅值等都有较显著的影响。     

固体-液固两相饱和介质耦合动力有限元分析

基于固体介质和液固两相饱和介质动力学方程,采用有限元方法模拟脉冲荷载作用下介质耦合对结构动力响应的影响,并采用黏弹性人工边界模拟地震波的远域能量逸散效应。计算结果表明:介质耦合对地震波的传播有一定的影响;黏弹性人工边界可以削弱地震波在固定边界处产生的反射现象,较固定边界计算结果更符合实际情况。     

黏弹性文克尔地基修正Timoshenko梁横向振动复模态分析

利用修正Timoshenko梁理论,考虑地基黏性阻尼,建立黏弹性文克尔地基修正Timoshenko梁动力方程,解决了黏弹性地基经典深梁(Timoshenko)两频谱矛盾。利用复模态分析方法导出微分方程在多种约束条件下的复频率求解超越方程及其振型函数。当不计梁剪切转动惯量的影响时,方程可退化为黏弹性文克尔地基经典深梁计算模型;当不计梁剪切变形的影响及地基黏滞阻尼时,方程退化为常见的弹性地基Euler梁振动模型,其计算模型较为通用。分析了黏弹性地基梁在不同理论下的计算差别,结果表明:黏弹性地基Euler梁在高频段及梁长较短的低频段具有很大误差,黏弹性文克尔地基经典Timoshenko梁相对于Euler梁误差有所减小,但随阶次的增加相对误差逐次增大,在较高频段亦产生不可忽略的影响,证明了地基黏滞阻尼对地基梁振动低频段有较大影响。     

大型渡槽结构非线性地震响应可靠性分析

运用渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型,开展了渡槽非线性地震响应可靠性分析计算。渡槽薄壁结构弹塑性动力分析模型是集渡槽薄壁结构线弹性模型和非线性多弹簧模型为一体,可用其进行结构弹塑性地震响应分析。采用人工地震波生成方法并将地震波作用于实际渡槽结构进行时程分析,将得到的地震内力响应样本值建立可靠度功能函数并进行统计分析,运用矩法分析计算结构失效概率密度函数和对应的结构失效概率值。     

高拱坝地震响应时程分析

采用有限元结合三维粘弹性局部人工边界的动接触地震波动模拟方法建立拱坝一地基一库水的有限元计算模型,研究库水对结构振动频率和振型的影响.并借助APDL语言实现粘弹性人工边界、动水压力及地震波的自动输入模块.对拱坝-地基-库水联合作用下的结构进行抗震计算时程分析.计算结果为优化坝体结构的动力特性和抗震设计提供参考.     

平面SV波斜入射下重力坝动力响应分析

为了研究地震动斜入射情况对重力坝的影响,在考虑无限地基辐射阻尼效应的前提下,基于隐式有限元结合应力型黏弹性人工边界的方法,通过大型有限元软件ANSYS APDL实现地震波等效荷载的转换,并从无限地基中截取三维地基验证了地震波等效输入的正确性,建立了重力坝-库水-地基-黏弹性人工边界的有限元动力分析模型,重点研究了平面SV波斜入射对重力坝坝体地震反应的影响。结果表明:随着平面SV波斜入射角度的增大,坝体关键部位的竖直向位移呈现出逐渐增加的趋势,顺河向位移呈现出逐渐降低的趋势,其中坝顶竖直向位移最大增加幅度达到52%,最大降低幅度达到34.9%;坝体关键部位的应力对平面SV波入射角度的改变敏感程度不太一致,其中坝踵处第一主应力呈现出逐渐降低的趋势,入射角度为30°时第一主应力最小值达到2.045 27 MPa,坝趾处的第三主应力呈现出逐渐增加的趋势,入射角度为30°时第三主应力最大值达到8.228 54 MPa,在同类工程设计中应重点关注。     

等效黏性边界单元及黏性边界波动输入方法

为更好的利用大型通用软件进行结构-地基动力相互作用分析,本文在黏性边界的基础上提出黏性边界单元的概念,通过构造相同阻尼矩阵的方式提出了能够实现黏性边界功效的特殊有限单元-等效黏性边界单元.等效黏性边界单元能够较好的模拟地基的辐射阻尼效应,使黏性边界的实现更加方便.同时,为简化大型通用软件中地震波的输入,提出了适合于黏性边界条件下水平成层地基中垂直入射地震波的输入方法.该方法不需要借助其它辅助计算就可直接在各种大型通用有限元软件中用一个数值模型实现地震波动输入,具有很强的通用性.此输入方法极大的减少了地震波动输入的数据准备工作,降低了操作的复杂程度.数值算例表明,等效黏性边界单元及文中提出的地震波动输入是简单可靠的.     

强震作用下特高拱坝非线性地震反应分析

研究采用等效一致黏弹性边界单元模拟拱坝无限地基辐射阻尼效应,给出了人工边界节点上等效地震荷载的计算公式,实现了拱坝-地基系统的地震动输入。以我国某特高拱坝为例,建立了拱坝-地基三维有限元分析模型,精细模拟了坝体体型、横缝、河谷形状、各类岩体以及主要地质构造。采用时程分析方法,综合考虑无限地基辐射阻尼效应、拱坝-库水动力相互作用、拱坝横缝动力接触非线性效应等因素,分析了拱坝-地基系统在强震作用下的动力响应,对拱坝抗震安全性进行了评价。研究成果为高拱坝设计提供了参考。     

基于OpenSees的二维黏弹性边界单元开发及应用

基于有限元开源软件OpenSees开发了二维黏弹性边界单元VS2D2Bar,采用数值算例验证了该二维黏弹性边界单元在程序实现上的正确性,并将其应用于重力坝地震响应分析。重力坝算例分析结果表明:与固定边界无质量地基模型相比,采用黏弹性边界单元分析得到的坝体动力响应峰值大幅度减小,在重力坝的地震响应分析中必须考虑无限地基辐射阻尼效应的影响;OpenSees适用于重力坝地震响应分析,编程开发和调试工作量较小,易于在复杂水工结构的静动力分析研究中推广应用。     

工作桥对进水塔整体结构的抗震性能影响研究

地震作用下,进水塔与工作桥、库水、地基的相互作用复杂。通过建立塔身主体结构-启闭机房-工作桥-地基-库水整体有限元模型,基于势流体理论模拟结构与库水的相互作用,采用黏弹性人工边界考虑地基辐射阻尼,研究结构与库水、工作桥和地基的动力相互作用对进水塔整体体系自振特性和地震动力响应的影响。结果表明：在正常蓄水位下,工作桥的存在会使进水塔结构的顺流向位移最大减小25.15%,加速度最大减小14.33%,进水塔关键点最大拉应力降幅可达12.0%以上;考虑地基的辐射阻尼效应时,进水塔结构的动力响应明显减小,其关键点的最大拉应力降幅可达40%以上。相比工作桥,地基辐射阻尼效应对进水塔地震作用下动水压力、加速度、位移和应力响应的影响更加显著。