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。     

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。     

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。     

土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用研究

在我国西部强震区拟建的土石坝多坐落于覆盖层上,覆盖层土体具有动力非线性和饱和特性,土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用复杂。为研究土石坝-覆盖层-基岩体系动力相互作用特性,分别采用地震动一致输入方法(联合地震惯性力和约束边界)和非线性波动输入方法(联合自由场非线性动力响应和非线性人工边界),对覆盖层上土石坝进行有限元动力反应分析,考虑了覆盖层厚度、土体动力特性、地震强度及地震波频谱特性的影响效应,着重讨论了大坝的加速度反应峰值。结果表明:在覆盖层土体饱和特性的影响下,一致输入方法不能合理模拟大坝体系动力的相互作用,所获得的坝体竖向加速度反应误差显著。非线性波动输入方法理论上更为严密,其所获得的坝顶竖向加速度峰值较一致输入方法降低明显,降低率为20%～62%,且当输入地震动以高频成分为主时一致输入方法的误差较大。对于坝顶水平向加速度峰值,非线性波动输入方法较一致输入方法的降低率为5%～32%。当土体材料阻尼效应明显时一致输入方法的误差较小,当输入地震动以低频成分为主时其误差较大。一致输入方法会明显低估覆盖层上土石坝的极限抗震能力。当土石坝可能遭受竖向分量较大的近场地震时,有必要采用非线性波动输入方法评价大坝抗震性能。     

地震波斜入射下深厚覆盖层河谷加速度分布特征分析

我国西部地区普遍具有高山峡谷和深厚河床覆盖层的特点,而对于深厚覆盖层河谷场地的地震动分布特征的研究却很少。本文采用黏弹性人工边界及其相关地震动等效荷载输入的方法,研究了地震动P波和SV波入射角度及入射波峰值对深厚覆盖层河谷场地加速度放大系数分布特征的影响。结果表明：（1） P波和SV波入射角度一定时,入射波峰值对河谷两岸平台及岸坡的加速度放大系数影响很小;（2） P波左侧入射时,随着入射角度的增大,左岸平台及岸坡x分量的加速度放大系数增幅较大,z分量的加速度放大系数增幅较小保持在2倍左右,河谷覆盖层表面x和z分量加速度放大系数逐渐趋于均匀分布;（3） SV波左侧入射时,随着入射角度增大,整个河谷覆盖层表面x分量的加速度放大系数呈现出坡脚附近较小,中间部位和两岸平台较大;z分量放大系数呈现出相反的规律。这些结论可以为具有覆盖层河谷工程场址的地震动参数设计及加速度监测点布置提供一定的参考。     

近断层地震动对边坡稳定性的影响

为研究近断层地震动特性及其入射方向对边坡地震响应的影响,首先,考虑边坡对地震波的散射规律,提出了一种能够考虑地震波任意角度入射的地震动输入方法,该方法能够准确考虑模型边界两侧的动力相互作用且简单易操作。其次,运用提出的地震动输入方法,通过有限元参数分析研究了地震波入射角对边坡地震响应的影响规律。结果表明:当同时考虑Ｐ波及ＳＶ波入射时,由于两种波形的叠加作用,边坡的放大效应较一种波形单独作用时更加显著,且坡面上加速度分布更不均匀。地震波的入射角能够显著影响边坡的地震响应,随着地震波入射方向与坡面间夹角的增加,边坡对地震动的放大效应越明显,坡面上加速度分布越不均匀。     

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。     

考虑成层地基的黏弹性人工边界模型

为了将黏弹性人工边界条件用于成层地基模型的计算中,基于波动理论,推导了不同类型地震波的波幅比计算公式,采用延迟法考虑行波效应,完成了成层地基的自由场求解,得到了考虑地震波一次反射透射的等效荷载计算公式,最终建立了考虑成层地基的黏弹性人工边界模型。以SV波垂直入射为例,采用所建立的模型进行了重力坝的动力计算。结果表明,该模型满足工程抗震分析的精度要求,可以解决成层地基条件下,地震波垂直入射时考虑土-结构相互作用的结构动力分析问题。     

非均匀地震输入下的拱坝动力反应

通过对二滩等拱坝的动力反应分析,探讨了影响坝肩地震加速度分布的主要因素和坝肩地震加速度的分布规律,研究了坝肩地震动力放大作用、地震行波效应及坝肩地震自由场运动对拱坝动力反应的影响。     

土坝地震反应行波共振效应研究

以对称土坝为例,进行了一致地震输入及行波输入下的线性地震反应数值分析,讨论地震行波对土坝地震反应的影响.数值计算结果表明,不同的水平地震行波速度对坝顶水平和垂直两个方向的加速度均有不同程度的影响,沿地震波输入方向的加速度反应随地震行波波速的增大而增大,与地震波输入方向垂直的加速度反应在某一个波速时达到极值,存在行波共振效应.     

地震输入角度对抽水蓄能高面板堆石坝动反应影响研究

本文采用三维有限元计算方法和沈珠江动本构模型,研究某高烈度区大倾角坝基上高面板堆石坝的动反应特性。首先,讨论了地震波水平输入角度对面板堆石坝动反应的影响,以地震过程中坝顶峰值加速度,坝体最大动位移与最大动应力,面板最大变形值及最大动应力五个指标作为主要评判标准,对比地震波在八个不同水平输入角度下坝体动反应的大小,发现水平输入角度每改变45°,五个指标均随之变化,呈现"W"型变化规律,180°为最不利输入角度,各项指标都处于峰值点。然后,针对处于大倾角坝基上的抽水蓄能高面板坝进行了坝体动反应和坝坡稳定性分析,获得了堆石坝反应加速度随着坝高的增加而增大,以及震后存在残余变形等地震反应特性。最后验证了该工程坝体在地震反应过程中的安全性。研究结果可为高烈度地区倾斜坝基上高面板坝的动反应设计提供参考。     

基于广义塑性模型的加筋面板堆石坝数值模拟

为研究地震作用对混凝土面板堆石坝采用的混凝土是否加筋有何影响,基于堆石料的静动力大三轴试验结果,构造了能考虑剪应力水平影响和堆石料颗粒破碎的一个简洁塑性模量表达式,建立了适用于堆石料的广义塑性本构模型。本构模型模拟曲线与三轴静动力试验曲线的对比结果表明:该模型能较好地模拟堆石料在低围压下的剪胀性和高围压下的剪缩性,以及在循环荷载作用下的滞回效应、硬化特性和循环致密性等复杂应力状态。此外,利用该模型的高面板堆石坝动力有限元计算结果表明:加筋前后地震加速度和永久变形的分布规律一致。加筋对大坝的地震反应加速度影响较小,却可有效地减小大坝的地震永久变形;加筋对顺河向地震永久变形的抑制作用大于震陷。加筋间距越小,大坝的地震永久变形越小,但地震永久变形的减小幅度逐渐降低。研究成果可为混凝土面板堆石坝的施工设计提供参考。     

确定性地震动空间差异对重力坝地震响应影响研究

针对高坝-地基体系地震响应分析对空间差异地震动场的需求,在波动输入模型基础上引入地震波组合效应提出确定非一致地震动场模型。该模型从地震动场形成的物理机制出发,以模拟确定性地震动空间差异为目标构建非一致地震动场。随后以确定非一致地震动场和波动输入对应地震动场为基础,采用重力坝算例研究确定性地震动空间差异对结构地震响应的影响。结果显示,相对于波动输入模型,确定非一致地震动场模型可在内蕴多点多维地震动相关性基础上模拟地震动的时间滞后、复杂幅值变化、时程形状差异等宏观空间差异特征。与波动输入地震动场相比,确定非一致地震动场引起重力坝坝踵主拉应力峰值增加的算例占比66.4%,引起下游折坡主拉应力峰值增加的算例占比76.7%。在主拉应力峰值平均值方面,确定非一致地震动场引起坝踵和下游折坡处的最大增幅分别为25.3%和46.4%。考虑工程安全,高坝-地基体系的非一致地震响应分析须全面考虑确定性地震动空间差异的影响。     

高土石坝-地基动力相互作用的影响研究

我国土石坝建设高度已迈入300 m级,其体积和质量巨大,坝-基交界覆盖区域(建基面)沿顺河向长可超千米,且筑坝材料具有非线性特性,地震时的坝-基动力相互作用问题越发受到工程界的关注,亟待开展系统研究。本文以我国已建和拟建的若干代表性高土石坝工程为背景,采用波动分析方法考虑坝-基动力相互作用,系统地讨论了地基截取范围的影响,并通过与传统振动分析方法对比,研究了坝-基动力相互作用对大坝地震反应的影响。结果表明:高土石坝的地震反应计算采用波动分析方法更符合实际;在考虑坝-基动力相互作用时,建议地基截取范围取坝-基交界面顺河向长度的0.3～0.5倍(面板坝时约1.0H～1.5H,心墙坝时约1.2H～1.8H,H表示坝高);与振动分析方法相比,波动分析方法获得的坝体加速度极值降幅约为10%～40%,动位移极值降幅约为10%～50%,面板动应力极值降幅:拉应力约为20%～40%,压应力约为15%～30%。可见,坝-基动力相互作用的影响是显著的,振动分析方法不能反映地震对大坝作用的实际情况,高估了大坝的地震反应,从而低估大坝的极限抗震能力。     

拉哇高面板堆石坝极限抗震能力分析

拉哇面板堆石坝位于金沙江上游基本烈度达Ⅷ度的强震区,为评价其极限抗震能力,采用堆石体地震残余变形、坝坡动力稳定、面板应力以及面板脱空等指标,研究了规范反应谱、坝址一致概率反应谱以及设定地震反应谱等不同反应谱在不同峰值加速度下大坝的地震动反应。结果表明:在同一反应谱下随着峰值加速度的提高,大坝的动力反应逐渐增大;不同反应谱在相同峰值加速度下大坝的动力反应呈现较大差异。一致概率反应谱条件下大坝的加速度反应、面板脱空量、堆石体残余变形和下游坝坡的滑动都明显大于规范谱和设定地震谱;设定地震谱下的大坝动力反应则略高于规范反应谱。结合反应谱的生成方式,宜选取设定地震反应谱对拉哇面板堆石坝的极限抗震能力进行评价。计算得到拉哇面板坝的极限抗震能力在0.55g~0.6g。