混凝土坝–基岩地震动力相互作用时域有限元分析

混凝土坝地震响应分析是坝工安全评估的关键一步。坝与基岩动力相互作用对混凝土坝地震响应具有重要影响。因此，建立一个可考虑坝与基岩动力相互作用影响的数值分析方法是十分必要的。给出了分析混凝土坝–基岩系统地震响应的时域有限元法。在时域有限元分析中，地震波的输入以及地基辐射阻尼的模拟常常是2个十分重要的课题。基于柱面波动方程提出了能同时实现地震动输入和模拟地基辐射阻尼的方法，这种方法非常简单有效，几个数值算例验证了方法的精度和有效性。最后，对混凝土重力坝地震响应进行了数值分析，结果表明无限地基辐射阻尼的影响是显著的。     

结构-地基动力相互作用问题分析的一种直接方法

本文给出结构-地基动力相互作用分析的一种直接有限元方法,可以依托大型结构分析软件完成结构-地基动力相互作用研究工作.该方法不但可以较好地模拟半无限地基的辐射阻尼,也能模拟远场地球介质的弹性恢复性能.文中同时给出了一种结构-地基动力相互作用中地震波动输入方法,可以准确模拟任意角度入射的地震行波的输入.数值算例表明本文给出的方法具有较高的精度.     

地基刚度和不均匀性对混凝土大坝地震响应的影响

应用比例边界有限元方法进行了坝-水库-无限地基的动力相互作用分析。深入研究了无限地基刚度变化以及地基非均匀性对大坝地震响应的影响。计算了不同的均匀地基刚度和地基刚度随深度变化情况下Koyna大坝的频响曲线以及地震作用下大坝的时程响应。计算结果表明,地基刚度和不均匀性对大坝地震响应产生重要影响。对于均质地基刚度增加时,坝的地震响应随之增加;对于地基刚度随深度增加的不均匀地基,坝的地震响应增加迅速。此外还讨论了工程中广泛应用的无质量地基模型对于相互作用分析的适用性问题。     

无限地基辐射阻尼对溪洛渡拱坝地震响应的影响

用有限元、边界元和无限边界元(FE-BE-IBE)在时域内的耦合模型分析了溪洛渡拱坝的动力响应,在分析中考虑了无限地基辐射阻尼,结果表明辐射阻尼对拱坝的动力响应有显著的影响。又研究了辐射阻尼的不同影响因素,如水位、地基弹性模量和不同地震输入等。     

结构-地基动力相互作用时域数值分析的显-隐式分区异步长递归算法

动力相互作用时域数值分析的精度与效率是面向大规模工程问题解决的重要问题。在阻尼溶剂抽取法模拟地基无限域动力性质的基础上,提出并发展了结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法,分别在结构、地基分区计算中进行大步长隐式与小步长显式求解,而且采用预报–校正显式积分与Newmark隐式积分,具有相同的运动量数值积分假定,可自然满足分区交界面位移协调性条件。在满足工程精度要求的条件下,分区异步长显–隐式求解算法使动力相互作用时域数值计算效率较传统小步长显式积分算法得到大幅度提高,可明显促进阻尼溶剂抽取法在大规模工程问题分析中的应用。并就积分时间步长、结构–地基交界面异步长内插格式及位移协调性关系对结构动力响应的影响进行数值对比研究,可为具体计算中的参数选择提供依据。     

结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法

动力相互作用时域数值分析的精度与效率是面向大规模工程问题解决的重要问题。在阻尼溶剂抽取法模拟地基无限域动力性质的基础上，提出并发展了结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法，分别在结构、地基分区计算中进行大步长隐式与小步长显式求解，而且采用预报–校正显式积分与Newmark隐式积分，具有相同的运动量数值积分假定，可自然满足分区交界面位移协调性条件。在满足工程精度要求的条件下，分区异步长显–隐式求解算法使动力相互作用时域数值计算效率较传统小步长显式积分算法得到大幅度提高，可明显促进阻尼溶剂抽取法在大规模工程问题分析中的应用。并就积分时间步长、结构–地基交界面异步长内插格式及位移协调性关系对结构动力响应的影响进行数值对比研究，可为具体计算中的参数选择提供依据。     

强震输入方式与地基模型对重力坝反应的影响

采用无质量地基模型和弹簧–阻尼边界模型研究了在不同频谱地震荷载、不同基岩与混凝土弹性模量比值条件下重力坝的地震反应。基于大量计算分析,提出等效结构阻尼的理念与近似方法,使无质量地基模型计算坝体反应与考虑辐射阻尼效应的结果相接近。结果表明:弹簧–阻尼边界对重力坝的影响与不考虑辐射阻尼的无质量地基相比,位移和应力反应减小,降幅范围为10%～65%;随着基岩与混凝土弹性模量比值的增加,降幅总体减小。采用等效结构阻尼无质量地基模型的重力坝反应与使用弹簧–阻尼边界以计入辐射阻尼效应的结果接近,位移误差在7%以内。     

拱坝-地基动力相互作用的时域模型

本文采用频域边界元模拟拱坝地基,通过数值拟合,将地基频域动力刚度转换为等效时域参数,与时域有限元模拟的坝体子结构耦合,建立一个在时域内直接求解、计算效率较高的拱坝-地基动力相互作用分析模型.该模型采用自由场方式输入地震.在拱坝坝体子结构分析中,采用固定界面法求解坝体的模态坐标,并将其与地基子结构耦合,提高了模型的计算效率.为了验证模型的精度和效率,利用加速度脉冲作为自由场输入,求得拱坝的频率响应函数.与频域方法的结果进行对比,证明本文的时域模型具有良好的精度,能节省大量计算时间.此外,时域模型能应用于非线性结构-地基相互作用分析中,是频域方法难以比拟的.     

瑞利阻尼系数确定方法对非岩性场地地震反应的影响分析

非岩性场地地震反应分析中,瑞利阻尼系数在很大程度上影响其计算的精度。基于等效线性法考虑土体的非线性动力特征,采用5种不同确定阻尼系数的方法,对非岩性自由场地进行时域动力分析,并与频域程序SHAKE 91计算结果进行比较。结果表明:邹德高等提出的改进后的方法能较好地反映场地的阻尼特性和地震动的频谱特性,对非岩性场地的阻尼模拟是相对准确的。此自由场地的动力计算工作为下一步整个厂房-地基动力相互作用分析提供了输入依据。     

无限地基辐射阻尼对核岛厂房结构地震响应的影响

无限地基辐射阻尼效应的有效模拟,是开展核岛厂房结构地震响应分析的核心技术问题,本文以Super FLUSH软件为研发平台,在地基有限域外边界施加粘性边界以耗散反射波波动能量,从而考虑无限地基辐射阻尼效应,进行核岛厂房结构地震响应分析。最后,以某地基条件下的CPR1000堆型反应堆厂房的集中质量简化模型为例,通过上述数值模型与刚性地基模型的对比分析,开展无限地基辐射阻尼对核岛厂房结构地震响应影响的研究,并就不同的地基弹性模量对无限地基辐射阻尼的影响进行了探讨。计算结果表明,软弱地基条件下辐射阻尼的作用明显,而该模型亦表现出良好的精度和计算效率。本文研究成果对类似核岛厂房结构的抗震分析具有一定参考价值。     

金沙江鲁地拉水电站混凝土重力坝地震抗滑稳定性的时程法分析

通过动力有限元时程法分析了金沙江鲁地拉水电站碾压混凝土重力坝在设计地震动作用下的动态响应,计算模型考虑了大坝–库水相互作用、大坝–岩基相互作用,用黏弹性吸波边界模拟了地震动能量向无限远域逸散的地基"辐射阻尼"效应。利用质点系"达朗贝尔原理"计算得到了坝体地震惯性力时程,通过将坝体惯性力时程极大值与振型分解反应谱法的惯性力计算值对比,验证了复杂地震动力数值计算结果的正确性。在坝体惯性力时程基础上叠加其它静力荷载,计算得到了大坝沿建基面的瞬态抗滑安全系数时程。计算结果表明:鲁地拉重力坝在设计地震动(0.36g)作用下的安全系数时程的极小值大于规范规定值,大坝整体抗震稳定性良好,不必采取提高整体抗滑稳定性的工程加固措施。作为典型重大工程实例研究,采用的动力计算方法对类似大坝工程的抗震计算具有参考意义。     

粘弹性人工边界在重力坝地震分析中的应用

介绍了粘弹性人工边界以及粘弹性人工边界单元的推导过程,在此基础上对某重力坝的坝体—地基结构系统进行有限元三维地震响应分析,结果表明无限地基辐射阻尼的粘弹性人工边界能够显著减小坝体地震响应。     

非均质无限地基上高拱坝的动力响应分析

地震作用下拱坝-无限地基的动力相互作用将对拱坝的地震响应产生重要影响。虽然很多学者曾经提出过各种相互作用的计算模型,但是绝大多数都是基于均质地基或有限地基假定的。利用比例边界有限元方法能够方便地模拟非均质无限域的优点,研究非均质无限地基对双曲高拱坝动力响应的影响。拱坝、地基和库水都利用比例边界有限元方法模拟,从而减少大量的计算量。在假定地基弹性模量随深度按指数变化的前提下,分析研究210 m高的大岗山双曲拱坝分别坐落在无质量地基、均质无限地基和非均质无限地基3种情况下的拱坝加速度频响曲线。通过与刚性较大的重力坝结构对比发现,无限地基的远场非均质特性对拱坝的动力响应影响较小。这是因为与重力坝不同,双曲高拱坝坝体与坝基之间的连接相对较为柔性,所以远场地基刚度变化对拱坝地震响应的影响较小。经进一步对近场地基刚度变化的分析发现,近场地基对拱坝地震响应产生一定影响。分析结果具有普遍意义,对强震区的高拱坝建设可以提供重要参考。     

Earthquake performance assessment of concrete gravity dams subjected to spatially varying seismic ground motions

This paper investigates the earthquake performance of concrete gravity dams under spatially variable seismic excitations. A nonlinear finite element model is developed and validated using shake table experimental results. The model is then subjected to spatially varying earthquake ground motions incorporating the wave passage effect, with values for apparent propagation velocities consistent with the source-site geometry and the shear wave velocity in the foundation rock. The evaluation reveals that different response patterns occur when spatially non-uniform and uniform seismic ground motions are applied as input excitations to the model, because spatially non-uniform excitations induce the quasi-static response, whereas uniform excitations do not, and, in addition, the dynamic response caused by different input motions varies. Notably, spatially non-uniform excitations produce larger opening at the heel of the dam and severer slipping at its toe; this latter observation can have a significant effect on the global equilibrium and stability of the dam during an earthquake.     

顺层隧道地震响应的波动方法研究

 顺层岩体是隧道工程中常见的地质情况,震害突出,但尚无有效的地震响应分析方法,因而难以深入研究其响应机制和规律。为此,建立一种地震波动输入方法及相应公式,该方法以有限元法与时域波动分析法相结合,采用黏弹性人工边界,基于顺层岩体的横观各向同性本构关系,考虑岩体中地震波的偏振特性和相速度变化特点,适用于地震波斜入射方向与隧道纵断面平行的情况。同时,为验证所提出方法的实用性和可行性,应用其分析某顺层岩体中高速铁路隧道结构的地震响应规律。结果显示：当岩层水平或竖直时,则qP波引起的衬砌内力包络图对称;当岩层倾斜时,则qP波引起的衬砌内力包络图不对称,不对称性的幅度与岩层倾角相关;岩层倾角不同,则弯矩值相差较大;弯矩包络图无论对称与否,环向弯矩极值均位于拱脚处,而纵向弯矩极值却位于拱顶和仰拱处。此外,作为对比分析,又将岩层简化为各向同性介质,采用该方法进行计算,结果发现：P波引起的衬砌内力包络图对称,且内力包络图与将岩层简化为横观各向同性介质时相接近。这进一步验证了提出方法的合理性和可靠性。     

地下工程数值计算中地震动输入方法选择及实现

 在运用有限元数值方法进行地下结构抗震分析中,人工边界及地震动输入方法将直接影响到计算精度。在分析人工边界原理及常用地震动输入方法的基础上,研究地震动输入方法与人工边界间的相互作用。研究结果表明,不同地震输入方法将显著影响人工边界的吸收性能,而不同的人工边界需要采用与其相适应的地震动输入方法。接着分析两者相互作用的机制,并以无限元人工边界为例提出与其相适应的地震动输入方法,并编制相关输入程序,实例计算结果表明,所提出的地震动输入方法及相应的输入程序具有良好的精度。研究内容可为地下结构有限元抗震计算中人工边界及地震动输入方法的选择提供依据。     

SV波斜入射对岩体隧道洞身段地震响应影响研究

基于显式有限元方法并结合黏弹性人工边界条件,推导了SV波斜入射时人工边界面上等效节点力的计算公式,并基于通用有限元软件实现了SV波的倾斜输入。采用简单算例验证了SV波斜入射输入方法的准确性。分别考虑了SV波在隧道横断面和纵断面内斜入射工况,研究了SV波斜入射条件下岩体隧道洞身段地震响应规律。计算结果表明：SV波斜入射时的隧道地震响应规律与垂直入射时具有较大的差异;SV波在不同断面内斜入射时隧道的地震响应结果也具有较大差别。     

地震荷载作用下大坝非线性响应的混沌分析

从能量角度出发,推导出大坝-地基结构系统在地震荷载作用下响应的拉格朗日动力方程,在此基础上建立了该系统的非线性动力学模型,并运用混沌理论方法,对系统的非线性动力学行为进行了时域、相空间、庞加莱映射、Liapunov指数等内容的混沌分析和讨论。结果表明:地基土层的密度、厚度等土层性质的变化都会对坝体的非线性响应表现出复杂的非线性混沌关系,其通向混沌之路是通过倍周期分叉实现的。     

Earthquake analysis of arch and gravity dams including the effects of foundation inhomogeneity

Dam-foundation interaction plays an important role in the design of earthquake-resistant concrete arch and gravity dams. Geological conditions of the dam canyon are usually very complicated; however, in the literature, the damfoundation interaction analysis is often carried out based on the premise of a homogeneous unbounded foundation. In this paper, the effect of foundation inhomogeneity on the seismic response of arch and gravity dams was studied by means of scaled boundary finite element method (SBFEM). In order to satisfy the similarity requirement of SBFEM and simplify the computational effort, a subdomain approach and a conical representation of an unbounded foundation were proposed. The way of partitioning the domain and the selection of open angle and bottom radius of the cone model on the accuracy of the result were examined. Numerical examples show that the proposed approach is rational and efficient. Cases of foundation inhomogeneity with stiffness varying in accordance with an exponential function along the radial direction, and cases of foundation inhomogeneity with stiffness discontinuity and with weak interlayer strata on the earthquake response of concrete arch dams as well as gravity dams were analyzed. It was found that a homogeneous idealization of the unbounded foundation may sometimes greatly underestimate the maximum earthquake stress response of the dam. Therefore, taking into account the effect of foundation inhomogeneity for the earthquake safety assessment of concrete arch and gravity dams has great significance.