接触面模型对面板与垫层间接触变形及面板应力的影响

对某在建面板堆石坝进行了三维有限元静、动弹塑性计算,分析了接触面模型对面板与垫层间接触面变形及面板应力的影响。面板与垫层接触面分别采用:双曲线(仅静力计算)、理想弹塑性及广义塑性接触面模型。结果表明:竣工期,3种模型计算的面板应力是基本一致的。满蓄期,3种模型计算的面板顺坡向应力分布规律基本一致,但面板坝轴向应力的分布规律和量值有较明显的差别。蓄水时广义塑性接触面模型计算的接触面的应力路径和剪切位移与双曲线和理想弹塑性存在较大的差异。在地震荷载下,理想弹塑性和广义塑性接触面模型计算的地震后坝体残余变形引起的面板顺坡应力基本一致,但面板坝轴向应力差别较大。理想弹塑性模型只有当应力达到峰值时才产生塑性变形,这样会低估接触面的残余变形,不能与坝体残余变形相协调,高估了坝体残余变形对面板应力的影响。广义塑性接触面模型能更好的反映三维条件下接触面的剪胀、剪缩、硬化、软化、循环残余变形及颗粒破碎特性,更符合实际情况。     

高混凝土面板堆石坝地震损伤机理研究

以紫坪铺面板堆石坝为例,基于堆石料的黏弹性模型和地震残余应变模型计算分析了高混凝土面板堆石坝的地震响应,并结合震害调查结果分析了高混凝土面板堆石坝的地震损伤机理。研究表明,输入地震加速度在坝顶附近和坝坡表面显著放大,呈现出显著的鞭梢效应,导致坝顶和下游坝坡上部堆石体松动滚落。地震导致大坝堆石体产生显著剪缩,坝体断面整体向内收缩,刚性混凝土面板与垫层料之间脱空,脱空后面板与垫层料之间的摩擦力大幅减小甚至消失,面板在自重和地震惯性力联合作用下向下滑动,致使面板水平施工缝发生错台,面板表面产生裂缝。地震还导致岸坡附近左右坝段堆石体向河谷中央位移,致使岸坡附近面板垂直接缝发生拉伸破坏,河床中部垂直接缝及附近混凝土面板发生挤压破坏。数值计算和震害调查结果均表明,高混凝土面板堆石坝的地震损伤现象主要与其堆石体地震残余变过大,以及堆石体与防渗系统之间变形不协调密切相关,故强震区修建高面板坝应尽可能提高堆石体压实密度,以减小坝体的地震残余变形。     

马钢凹山总尾矿库抗震稳定性能研究

在剖析尾矿沉积规律和坝体物理力学特征的基础上,采用等价黏弹性理论、稳态强度理论和Newmark滑动变形分析理论,研究了马钢凹山总尾矿库的地震加速度反应、尾矿液化、坝体稳定和变形。计算分析结果表明,凹山总尾矿库可抵御0.1 g地震的袭击,在设计地震荷载作用下,坝体不会出现液化流滑破坏,地震产生的永久变形小于20 cm。     

单自由度体系地震残余变形分析及计算

地震残余变形是结构可修复能力的重要指标,准确分析结构的残余变形对于震后结构性能的评估与控制具有重要意义。基于对不同单自由度(SDOF)体系的弹塑性地震响应的统计分析,研究了不同参数对地震残余变形的影响,其中滞回特性、屈服后刚度、地面峰值加速度(PGA)以及最大弹塑性变形对残余变形的影响较大;同时结合理论分析提出了分别适用于弹塑性Kinematic滞回模型和Takeda滞回模型的残余变形简化计算方法。该方法是以先获得结构的最大弹塑性变形为基础的,能与传统的确定结构最大变形性能的抗震分析方法(Pushover方法)较好地结合。最后,以一钢筋混凝土单柱桥墩为例,详细阐述了所提出的方法进行单自由度体系结构的地震残余变形计算及震后结构性能评估的过程,分析表明基于Takeda模型的结构残余变形的计算结果偏于安全。     

地铁车站结构振动台试验及地震响应的三维数值模拟

利用FLAC3D对典型地铁车站结构振动台模型试验进行三维数值模拟,所建立的计算模型包括:(1)计算区范围与模型箱尺寸一致;(2)采用Davidenkov模型描述模型土的非线性变形特性,而结构模型采用弹性模型;(3)由于不考虑模型箱在振动过程中的变形,因此动力边界条件取为加速度边界;(4)地震荷载的输入与试验时地震波输入一致。计算结果包括模型土和车站结构的加速度响应规律、车站结构的动应变以及土–结构间的动土压力。计算结果与振动台试验结果吻合较好,说明采用的方法能较好地模拟模型土的动力特性,反映车站结构的动力响应及土与地铁车站结构间动力相互作用的规律。该研究工作能为建立典型软土地铁车站结构地震响应的三维计算方法提供基础。     

多次地震动下铁路圆端空心墩的位移响应研究

实际结构往往遭遇多次地震动作用,而目前国内抗震设计规范考虑的仅为单一地震事件影响,尚无法考虑多次地震动下桥梁结构的响应情况。针对上述现象,文章以秋末河大桥为工程背景,基于抗震分析软件OpenSees对铁路圆端空心墩进行传统及累积增量动力分析数值模拟,通过对比两种情况下位移响应情况来研究多次地震动的影响。结果表明:(1)该铁路圆端空心墩较柔,高阶振型较为明显,结构最大位移及残余位移随峰值加速度的增加而增加;(2)较单一地震作用而言,多次地震动下,结构的最大位移及残余位移均偏大;(3)两种不同分析方法,对于结构最大位移响应,当结构处于弹性状态,其差异不明显,当结构处于弹塑性状态,其差异较大不可忽略;对于残余位移而言,其差异均较为明显,不可忽略。     

液化地基中重力式码头地震残余变形计算法的动力试验验证

液化地基中海港码头工程的地震残余变形的预测是地震工程安全设计中重要的环节,码头身后回填砂土因地震作用引起的超静孔隙水压力发展水平对码头地震变形有着重要的影响。引用液化度指标衡量超静孔隙水压力的变化特征,计算码头作旋转和滑动运动的地震残余变形的方法称为拟动力法,通过应用1g-振动台试验与120g-离心振动台试验的两模型测试结果验证计算码头地震残余变形的拟动力理论方法的合理性与可靠性。计算结果表明当计算中采用的地震动输入加速度与试验相同时,预测出的位移变化规律以及残余变形的计算值与测试值规律具有较好的一致性,表明对于均匀波动的地震载荷,该方法预测的地震残余变形较理想。     

峰值位移输入对单自由度体系地震反应的影响

在加速度反应谱与峰值速度不变的条件下,研究输入地震动峰值位移对单自由度体系动力反应、尤其是弹塑性动力反应的影响。利用在时域内叠加窄带时程的方法合成加速度反应谱和峰值速度相同而峰值位移相差1倍的两组人工地震动时程,按照GB 50011—2010《建筑抗震设计规范》的要求,将合成的输入地震动采用不同设防烈度多遇地震的峰值加速度标定,进行体系的弹性分析。结果显示,输入地震动峰值位移的变化对弹性动力反应基本无影响。将输入地震动采用相应烈度罕遇地震的峰值加速度标定,并以上述多遇地震作用下弹性最大位移反应作为罕遇地震作用下结构弹塑性分析的屈服位移,进而分析输入地震动峰值位移变化对弹塑性动力反应的影响规律。结果表明:峰值位移的增大将会明显增大中长周期结构弹塑性位移反应和速度反应,这种放大效应对位移反应尤为显著,其规律在不同设防烈度区具有一致性,即随着设防烈度的提高,输入地震动峰值位移的增大引起的大部分中长周期结构弹塑性位移及速度反应的放大效应减小。因此,在进行结构动力分析时,应充分考虑输入地震动峰值位移变化对计算结果的影响。     

不同地震动特性下RC框架校舍抗震加固残余变形分析

校舍的抗震性能和震后残余变形直接关系到学生的顺利疏散和学校的震后修复,因此,本文以RC框架校舍为背景对其不同地震动特性下的抗震性能和震后残余变形展开研究。首先,介绍了泰州市姜堰区实验小学敏学楼的工程概况和加固方案,并据此建立了结构三维有限元模型,开展了动力特性分析;随后,进行多遇地震作用下的弹性和设防/罕遇地震作用下的弹塑性时程分析,并以层间位移角为性能指标对结构抗震性能水平进行了评估;最后,以层间残余位移角和顶点残余位移为指标对比分析了近、远场地震作用下的结构残余变形。研究结果表明,近场地震作用下的抗震性能水平和残余变形指标均差于远场地震作用下的结果,其中底层层间残余位移角为远场地震的1. 67倍;加固后结构在罕遇地震作用下的破坏模式由严重破坏降低到了不严重破坏,层间最大残余位移角最大降低了69. 9%,校舍逃生概率和震后恢复能力显著提升。     

堰塞湖坝体动力特性及加速度分布规律大型振动台模型试验研究

 2008年汶川八级地震形成了至少257个堰塞坝,主震后发生的大量余震可能会影响堰塞坝的动力安全状态。堰塞坝体的动力特性参数(包括自振频率和阻尼比等)和加速度分布规律是堰塞坝地震安全研究的基础内容。通过大型振动台模型试验,研究在余震作用下模型堰塞坝体的动力特性参数、加速度分布规律及二者的影响因素,并根据动力相似律,计算原型坝体的动力特性参数。共进行2组不同材料的振动台模型试验,分别模拟含黏粒较多且颗粒较小(坝体I)和基本不含黏粒且颗粒较大(坝体II)的2种坝体。在不同地震波形输入、不同加速度峰值和不同水位条件下进行振动台试验。研究成果表明：(1) 模型坝体具有较稳定的X向和Z向自振频率和阻尼比。(2) 先期振动使坝体自振频率降低,阻尼比有增大趋势;坝体I的自振频率小于坝体II。水位变化对2种坝体自振频率的影响规律不一致。(3) 加速度放大倍数随高程增大而增大,最大加速度发生在坝顶处;相同高程测点加速度放大倍数最大值出现在上游或下游靠近坝坡表面处,即“表面放大”效应明显,说明坝坡表面容易受地震作用破坏。(4) 所含频谱成分与坝体自振频率接近的地震波会引起最大的加速度反应。Z向振动使坝体测点X向加速度放大倍数增大。加速度放大倍数一般随输入加速度峰值的增大而减小。     

长期交通荷载作用下路基沉降的实用计算方法

目前尚没有方法能很好地预测长期不规则交通荷载引起的路基沉降变形。土在长周次微小振幅荷载作用下产生塑性变形的机理尚不清楚,现有弹塑性理论也很难描述这种变形。基于等价黏弹塑性模型的理论,提出了一个实用的预测长期交通荷载作用下路基沉降的计算方法。等价黏弹塑性模型由两部分组成:一部分为黏弹性模型,用于计算地基的动力响应,采用了Ramberg–Osgood动剪切模量公式和Hardin-Drnevich阻尼比公式;另一部分为计算残余应变的经验公式。根据动三轴试验所揭示的无黏性土在长周次循环荷载作用下的变形特点,以及移动荷载作用下路基土单元动应力过程的特点,建立了本模型中计算残余应变的经验公式。在得到各单元的残余应变后,可结合有限元方法计算得到路基的沉降。     

坝坡地震永久变形分析

结合大坝工程实例,根据堆石料的大型动三轴试验结果,确定了坝料的残余体应变和残余剪应变模式,特别是非饱和料的残余体应变模式.在所建立的面板坝三维非线性动力反应有限元法基础上,结合孔隙水压力扩散和消散的计算,建立了一套同时计入残余体应变和残余剪应变的面板堆石坝地震永久变形的计算方法.最后,结合案例进行了地震永久变形的计算,分析了坝体地震永久变形的量值和分布情况,为大坝的抗震设计提供了有力的技术依据.     

强震作用下面板堆石坝跨尺度面板开裂演化分析

准确定位面板薄弱区域、定量评价面板破坏程度对面板坝抗震安全评价至关重要。联合非完全点对点界面和四分树网格生成技术,实现了面板坝面板与垫层接触作用的两级跨尺度精细化建模;引入混凝土黏聚力模型并联合筑坝材料广义塑性模型、状态相关的弹塑性接触面模型考虑材料强非线性和破坏过程,建立了强震作用下面板动力弹塑性跨尺度开裂演化分析方法,并研发了显式地震波动分析框架下的SBFEM-FEM耦合计算软件。以200m级面板坝为例进行了面板动力破坏数值分析,并分别考虑了面板配筋率、竖向地震和坝前水深的影响。结果表明:十分直观地再现面板坝防渗面板的动力开裂演化过程,有助于定位面板局部薄弱区域、定量评价面板破坏程度以及评估抗震措施加固效果,为混凝土面板抗震优化设计和极限抗震能力评估提供技术支持。可拓展用于其它混凝土防渗结构破坏计算,且可容易地扩展至三维分析应用。     

巴山水电站高折线面板堆石坝运行性状研究

以巴山水电站填筑及运行期的原型观测资料为依据,反演分析了坝体堆石料的非线性邓肯 E-B 模型参数,用观测资料验证了参数的合理性;以反演参数为依据,采用三维黏弹性有限元仿真计算了坝体开始填筑至经历 7.10 洪水后面板的应力变形情况,计算分析了面板连接缝变形和面板脱空、垫层料亏坡情况,分析了三期面板局部挤压破坏和裂缝的原因。分析表明：浇筑面板时堆石体沉降未收敛和初次蓄水时涨水过快是三期面板局部挤压破坏和裂缝的主要原因;经历洪水后连接板附近未出现拉应力区域,面板垂直缝及周边缝变形较小,三期面板顶部出现了轻微的脱空;面板折线处与周围变形协调性好,没有出现应力变形突变现象,设置连接板改善了面板的变形及受力状态,效果良好。     

结构静力非线性分析与弹塑性时程分析结果的统计关系及残余变形计算

选取100条地震波并标准化为地面峰值加速度为0.1g～0.5g的地震波,采用Takeda和Kinematic恢复力模型对单自由度体系进行弹塑性时程分析;同时使用100条地震波获得的不同阻尼比的弹性加速度反应谱,基于Takeda、Kinematic模型,采用欧洲规范的方法,对单自由度体系进行静力非线性分析;建立静力非线性分析结果与弹塑性时程分析结果的统计关系以及单自由度体系残余变形与最大塑性位移的统计关系。分析表明：弹塑性时程分析结果的平均值与静力非线性分析结果的关系在一定程度上受地面峰值加速度和结构自振周期影响,基本不受结构刚度退化比影响;基于Takeda和Kinematic模型的静力非线性分析结果略低于弹塑性时程分析结果的平均值,而基于欧洲规范方法的静力非线性分析结果则高于弹塑性时程分析结果的平均值;残余变形与最大塑性位移的关系明显受地面峰值加速度和结构刚度退化比的影响。     

高土石坝地震反应和破坏机理分析

应用动力弹塑性分析方法对高土石坝的地震反应特性和破坏机理进行了系统研究。通过研究地震动作用下坝体的剪应变、永久位移以及网格变形的变化规律,并与振动台模型试验的结果进行对比,说明了坝体上部1/5范围内变形较大,竖向地震动对坝坡稳定性影响明显,验证了FLAC程序模拟高土石坝地震反应的合理性;同时分析了坝高、坝坡和地震动峰值参数变化对大坝破坏形态的影响,研究结果为大坝的设计、安全评价和抗震措施研究提供理论基础。     

钢-混凝土组合框架抗震性能分析

为研究钢-混凝土组合框架在地震作用下动力性能及破坏形式,为钢-混凝土组合框架在地震区的使用提供依据,进行了1/3比例钢管混凝土柱-钢混凝土组合梁组合框架结构模型振动台试验研究。通过试验,得到不同地震烈度下组合框架结构的动力特性、位移响应、加速度响应。应用SAP2000软件对该结构进行不同烈度地震作用下的弹性时程分析和弹塑性时程分析,得到各水准地震作用下结构动力特性和位移反应,分析结构的地震损伤破坏过程及损伤分布情况。     

再生混凝土框架拟动力试验研究和分析

对一榀单跨二层再生混凝土框架进行拟动力试验,采用不同加速度峰值的El Centro地震波激励,研究框架动力性能、受力特点、变形性能等抗震性能。试验表明:再生混凝土框架在多遇地震和设防裂度地震作用下具有足够的强度和刚度,框架处于弹性工作状态,加载至框架屈服,卸载后残余变形较小。采用结构通用有限元分析软件SAP2000对试验框架进行弹塑性动力时程分析,求出其位移响应,并与试验结果进行比较。试验研究和理论分析表明,再生混凝土框架具有良好的抗震性能。     

超深厚覆盖层上土石坝动力分析边界处理方法研究

采用深厚覆盖层上土石坝动力分析黏弹性边界处理方法和传统固定边界处理方法,进行某超深厚覆盖层上土石坝动力反应分析,研究了边界处理方式和地基截断范围对大坝-地基系统动力反应分析计算结果的影响规律,探讨了超深厚覆盖层上土石坝结构-地基系统动力分析边界处理方法。研究表明：不同的边界处理方式,大坝-地基系统内部加速度反应的分布规律基本一致,黏弹性边界条件下的坝体地震动力反应水平低于固定边界|随着覆盖层地基侧向边界范围的扩大,不同边界条件下坝体的加速度反应水平都在降低,固定边界条件下的计算结果和黏弹性边界逐步趋近|对本文研究的超深厚覆盖层上土石坝结构-地基系统,动力分析中将底部边界取到基岩表面、侧向边界取到坝踵和坝脚向上下游延伸3～5倍大坝加地基高度范围,并采用固定边界的边界处理方式,可以达到工程设计对计算精度的要求。     

传统风格建筑钢筋混凝土框架结构抗震性能试验研究

为了研究传统风格建筑钢筋混凝土框架结构的整体抗震性能,设计了比例为1/4的典型单层歇山屋顶框架结构缩尺模型,并进行了振动台试验研究。介绍了试验模型的设计与制作、相似比的确定以及配重的布置等,描述和分析了模型结构在7度多遇、设防、罕遇地震,8度设防、罕遇地震和9度罕遇地震阶段的试验破坏过程和动力特性、加速度及位移反应。同时,采用PMSAP计算软件对原型结构进行了弹性和弹塑性时程分析。结果表明计算结果在弹性阶段与试验结果比较符合,而在结构屈服后,两者的结果相差较大。最后,给出了该类结构的主要破坏部位,为传统风格建筑的结构设计提供了思路。