地震动输入方法对深厚覆盖层上高面板堆石坝动力反应的影响

我国西部地区有很多已建、在建及拟建在深厚覆盖层上的高土石坝工程,其跨度和重量庞大,而地基刚度较小,地震时的坝－基动力相互作用问题越发受到工程界的关注,亟待开展相关研究。通过集成的黏弹性人工边界和等效节点荷载这种波动方法,计算了深厚覆盖层上高面板堆石坝的加速度反应,并与传统振动方法的计算结果进行对比;此外,讨论了采用波动方法时边界截取范围对坝体加速度反应的影响。结果表明:振动方法得到的坝体加速度反应明显高于波动方法,竖向地震动作用下表现的更加显著;水平向地震动输入时波动方法的敏感程度明显低于竖向地震动输入情况。     

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。     

黏弹性边界在某重力坝动力计算中的应用

采用APDL语言编写了黏弹性边界,在ANSYS中实现了重力坝考虑黏弹性边界的动力计算。选取安哥拉某水电站重力坝标准坝段,地震荷载激振方向按水平方向输入,用谱分析法分别采取刚性约束边界和黏弹性边界对某重力坝进行模态和动力计算。研究坝体在不同边界条件下的响应,并对结果进行对比分析。计算结果表明,采用有质量地基模型并赋予黏弹性边界比无质量地基刚性约束边界假设更贴近工程实际情况,自振频率更低,加速度分布更合理且坝顶加速度放大系数较小。     

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。     

拱坝地震输入模型中黏弹性边界与黏性边界的比较

本文首先介绍了动力分析中无限地基数值模拟采用的各种方法，包括无穷元方法、边界元方法、无穷边界元方法。无限边界处理有叠加边界、黏性边界、黏弹性边界和人工透射边界。介绍了拱坝地震自由场输入模型。通过算例和实际工程计算，验证了黏性边界和黏弹性边界均有较好的吸能效果，且两种边界条件下，所得计算结果几乎一致。黏性边界或黏弹性边界均可作为拱坝地震自由场输入模型中的吸能边界。     

黏弹性人工边界地震动输入方法及实现

本文对实现黏弹性边界的常用方法进行了总结,对相应于黏弹性边界的地震动输入公式进行了详细推导,把自由场应力的求解也转化为自由场速度的求解,简化了地震动输入公式,并给出了地震动输入的简化方法。基于ABAQUS软件,进行算例分析并和理论解进行对比,验证了各种黏弹性边界实现方式及本文地震动输入方法的合理性和正确性。最后,对大朝山重力坝典型挡水坝段进行地震响应分析,通过施加黏弹性边界并输入相应地震动,评价了无限地基辐射阻尼的影响,并与无质量地基模型的计算结果进行了比较。结果表明,考虑辐射阻尼效应后坝体地震响应明显降低,故在实际工程抗震分析时对其影响应予以适当考虑。     

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。     

基于黏弹性边界的拱坝地震反应分析方法

无限地基的能量辐射效应是影响拱坝地震反应的一个重要因素。本文提出将一种新的黏弹性人工边界结合显式有限元的时域波动求解方法用于拱坝—地基系统的地震反应分析，地震动输入通过分别将底边界入射位移时程和侧边界自由场时程对应的解析应力时程作为边界荷载实现。该方法具有较高的计算精度，且不存在高、低频计算失稳问题。文中以小湾拱坝地震反应分析为例，比较了透射边界、黏弹性边界两种计算方法的计算结果，论证了本文建议方法的有效性。     

粘弹性人工边界地震动输入方法及实现

进行结构-地基动力相互作用分析时必须考虑无限地基辐射阻尼效应，粘弹性人工边界方法由于其优越性而得到广泛应用，但对于外源地震作用下结构-地基体系的动力响应分析，还需要确定相应于粘弹性边界的地震动输入，目前一般转化为人工边界节点上的等效节点力处理，为此需要求解自由场位移、速度和应力，比较繁琐。本文首先对目前实现粘弹性边界的常用方法进行了总结。其次，对相应于粘弹性边界的地震动输入公式进行了详细的推导，使得自由场应力的求解也转化为自由场速度的求解，简化了地震输入公式，并给出了地震动输入的简便实现方法。然后，基于ABAQUS软件，进行算例分析并和理论解进行了对比，验证了各种粘弹性边界实现方式及本文地震动输入方法的合理性和正确性。最后，对大朝山重力坝典型挡水坝段进行地震响应分析，通过施加粘弹性边界并输入相应地震动，评价了无限地基辐射阻尼的影响。与无质量地基模型进行比较，结果表明坝体地震响应明显降低，故在实际工程抗震分析时对其影响应予以适当考虑。     

ANSYS黏弹性边界在拱坝抗震分析中的应用

坝体-库水相互作用、地基辐射阻尼效应和地震波动输入方式是影响坝体地震响应的重要因素。基于大型非线性有限元程序ANSYS,利用APDL语言编写了施加动水压力、三维黏弹性边界和外源波动输入子程序。最后将该程序应用到某拱坝的地震响应分析中,并将ANSYS中的多线性等向强化模型与线弹性模型计算的结果进行了对比。结果表明:黏弹性人工边界考虑了地震波的远域能量逸散,其计算结果更加合理;考虑了材料非线性后,坝体单元应力有所减小,节点位移有所增大,更符合坝体实际的地震响应。     

不同覆盖层厚度对土石坝动力响应的影响

为研究深厚基础覆盖层上土石坝的动力稳定性问题,利用有限元弹塑性动力分析方法进行覆盖层土石坝动力响应分析,通过输入一条实测地震波,研究不同覆盖层厚度对土石坝坝体动力响应的影响规律。结果表明,不同覆盖层厚度对土石坝位移和加速度动力响应规律的影响不同,土石坝动力响应并非随覆盖层厚度的增加而逐渐增大,而是存在一个临界厚度,超过这个厚度以后,动力响应有所降低。     

深厚覆盖层高土石坝地震加速度响应分析

采用二维有限元软件GeoStudio对高土石坝进行动力响应分析,应用等效线性方法计算深厚覆盖层上高土石坝的地震加速度分布情况,对比分析了不同坝高、不同覆盖层厚度以及不同抗震设防烈度下所得到的加速度分布规律。结果表明,以上三方面因素对地震加速度响应均存在不可忽略的影响。     

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。     

不同参数对土石坝地震动力响应影响

采用有限元法研究土石坝边坡动力响应,通过大量有限元计算,研究弹性模量、阻尼比、坝高、覆盖层厚度以及地震动参数对土石坝坝体动力响应的影响规律,为拟静力法高土石坝边坡稳定分析奠定基础。     

土石坝地震动输入机制研究综述

土石坝的动力反应特性和抗震性能是水电工程界关注的焦点。设计地震动及其输入方式的合理确定是进行大坝结构动力反应分析和安全性评价的前提,也是影响分析结果可靠性的重要因素。本文对土石坝动力分析地震动输入机制研究中涉及到的地震动参数的确定和地震动输入方式等的研究现状进行了总结、评述,并在此基础上提出了需进一步研究的问题。     

深厚覆盖层上高心墙坝地震惯性力动态分布系数研究

对于强震区坐落在深厚覆盖层(深度超过50 m)上的高土石坝,通过拟静力稳定分析结果初步判定其抗震稳定性是抗震设计的主要内容,其中水平向地震惯性力沿坝基覆盖层至坝顶的动态分布系数是关键。然而,现行《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247—2018)中地震惯性力动态分布系数多基于坐落在基岩上的高土石坝的动力响应规律确定,现有动态分布系数忽略了深厚覆盖层和地震动强度对地震动传播规律的影响。因此,以坐落在深厚砂砾石覆盖层上150 m级高黏土心墙堆石坝为研究对象,结合现行土石坝设计规范和国内已建高土石坝实例,基于统计平均的方法确定了坝顶宽度、坝料分区、坝坡坡比、覆盖层材料的静、动力特性等关键参数,深入探讨了150 m级高黏土心墙堆石坝在小震(0.1 g)、中震(0.2 g)和大震(0.4 g)规范谱地震动作用下不同深度砂砾石料覆盖层的动力响应分布规律,进而总结归纳出不同深度覆盖层下150 m级高黏土心墙堆石坝的水平向地震惯性力的动态分布系数,将其引入到拟静力法稳定分析中,最后基于最危险滑动面和最小安全系数与现行规范所得结果进行对比分析。研究结果表明,小震(0.1 g)和中震(0.2 g)下采用文中推荐的考虑深厚覆盖层和地震动输入强度影响的水平向地震惯性力动态分布系数时将得到更符合工程实际的评价结果。研究成果可为深厚覆盖层上的高土石坝抗震设计提供参考依据。     

高土石坝地震动最不利输入方向研究

文中对土石坝进行三维非线性动力反应分析,采用等价线性粘弹性模型,就地震波的形式、地震波入射角度、坝高等因素对动力反应的响应进行了研究.根据不同形式地震波以不同角度入射到坝体,坝体震动最大加速度的强弱变化情况,判断出土石坝地震动的最不利入射角度.结果表明,对于高100,200,300 m的土石坝,(15°,15°)为地震...     

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。