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。     

基于ABAQUS 的黏弹性人工边界在重力坝分析中的应用

无限地基的辐射阻尼效应是影响坝体地震反应的重要因素。本文采用黏弹性边界并在非线性有限元软件ABAQUS软件上成功实施,经与理论解的结果对比,具有较高的求解精度。文中以典型的Koyna重力坝地震反应分析为例,比较了黏弹性边界与传统的固定边界无质量地基的计算结果,特别是利用混凝土损伤模型对Koyna重力坝遭遇强震时震害现象进行了初步分析,得到了大坝下游折坡处与实际遭受的地震破坏现象和破坏程度基本一致的结果。     

考虑地震荷载作用下等效一致黏弹性边界的重力坝分析

为研究地震荷载作用下等效一致性黏弹性边界重力坝的有效性,本文通过有限元数值模拟方法,采用等效一致黏弹性和无质量地基两种边界对重力坝进行三维模型对比计算,并得出:等效一致黏弹性边界和无质量地基边界均能有效的模拟无限地基的辐射阻尼效应;且两者所有计算结果及分布均保持基本相等,但等效一致黏弹性边界下的结果波动相对较小;再由于等效一致黏弹性边界的在建模过程中具有计算工作量较小,效率较高的优势。因此,采用等效一致黏弹性边界相对无质量地基边界在抗震分析方面更加简易、有效。     

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。     

基于黏弹性边界的渡槽结构地震动力特性分析

建立了双洎河渡槽地震动分析的数值仿真模型,编制程序实现了黏弹性人工边界法,并通过算例验证其正确性,黏弹性边界具有良好的波动能量吸收和耗散效果。考虑水体动力效应,基于黏弹性边界,进行渡槽结构地震动力特性分析。对渡槽结构的动位移和动应力分析表明:随着渡槽结构高度的增大,结构响应的加速度有增大趋势;支墩底部到槽身顶部,水平向加速度对结构的影响更加明显;槽身底板与支座相交处和支墩底部的动应力值水平较高,是地震动薄弱的集中区域,需加强局部配筋或支撑以增强抗震能力。     

深厚覆盖层上土石坝动力分析黏弹性边界处理方法

当覆盖层地基深度相对其上土石坝坝高较大时,大坝动力分析计算中常将覆盖层地基截断,只取临近坝体部分覆盖层地基连同坝体一起作为计算分析对象。用黏弹性边界条件代替固定边界条件,可以消除或有效降低由于截断边界造成外行波无法透过边界而引起的计算误差。本文采用施加等效地震惯性力的方法实现黏弹性边界条件下的地震动输入、采用等效线性化方法反映覆盖层地基边界上黏弹性边界条件的非线性特性,建立了基于黏弹性边界条件的深厚覆盖层上土石坝动力反应分析方法。研究表明:施加等效地震惯性力的方法可以简单而有效地解决黏弹性边界条件下的地震动输入问题;固定边界条件大幅提高了坝体在地震作用下的动力反应水平,使得计算的结果偏于安全。     

显式算法中三维黏弹性人工边界应用及输水隧洞动力响应分析

为确保大型复杂三维有限元模型动力响应分析的稳定性及高效性，结合二维黏弹性边界理论及其在动力显式分析中稳定性的改善方法，提出了一种适用于ABAQUS/Explicit模块的三维黏弹性人工边界方法，并依托某输水隧洞与临近高铁隧道的立交工程，在设有三维黏弹性边界的基础上研究高速列车振动荷载对既有水工隧洞的振动影响特性。结果表明，采用动力显式分析时，稳定性改善后的黏弹性人工边界具有良好的吸能效果，满足远域地基的回弹性能；振动荷载对输水隧洞的动力影响随着作用距离的增大而减小，且各断面的动力响应极值均出现在底板中心。     

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。     

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。     

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。     

基于不同边界的混凝土重力坝地震损伤分析

对于混凝土重力坝的地震损伤研究而言,组建合理的大坝模型对计算结果的精度和可靠性有很大影响,其中模型边界的选取和设置至关重要;采用黏弹性人工边界的重力坝模型计算所需时间较长,操作也较复杂,结合薄层单元和黏弹性人工边界构造了等效黏弹性人工边界,对比了黏弹性人工边界和等效黏弹性人工边界模型的结果,发现两种边界控制下的坝体地震损伤结果类似,坝体受损轻微,且等效黏弹性人工边界消耗的计算资源较少,其结果仍具有较高精度。     

考虑纵缝影响的重力坝静动力荷载组合作用分析

将时间显式积分动力有限元方法与黏弹性动力人工边界理论相结合,建立了有纵缝混凝土重力坝坝体-地基系统的非线性动力反应计算分析方法。同时,采用动力学方法求解静力作用效应,解决了含接触非线性问题的重力坝坝体静、动力荷载组合作用效应的计算问题。文中采用该方法分析了某混凝土重力坝的纵缝对坝体静、动力力学特性的影响程度,明确了纵缝的存在是影响坝体抗震安全性的不利因素,从而也验证了方法的可行性和有效性。     

基于薄层单元的黏弹性人工边界的模拟

为了解决黏弹性人工边界在实际应用过程中前处理时间长、不易实现等不足之处,提出了基于薄层单元的黏弹性人工边界的模拟方法。利用单元矩阵等效原理,采用薄层单元构造了等效黏弹性边界单元,并通过在大型通用有限元软件MSC Marc中设置等效黏弹性边界单元的参数属性,实现了黏弹性人工边界的模拟。三维均匀弹性半空间算例和某混凝土重力坝工程实例结果表明:采用等效黏弹性边界单元得到的计算结果与理论解、基于黏弹性人工边界的计算值非常相近,相对误差不超过1%。因此,采用薄层单元的模拟的黏弹性人工边界具有足够的精度,且施加方便,这为实际工程进行抗震分析提供了简便且精确的方法。     

考虑地震动力响应的复杂地基碾压混凝土重力坝分缝优化研究

为了探究高碾压混凝土重力坝横缝切割对坝体抗震性能的影响,以高地震烈度、砂泥岩互层地基的巴基斯坦玛尔水电站碾压混凝土重力坝工程为研究对象,通过建立三维整体有限元模型,并引入自编黏弹性动力边界程序,分别计算了设计地震、最大可信地震(Maximum Credible Earthquake, MCE)作用下,输入规范波、场地波、Koyna波时坝体的动力响应及差异;通过模拟横缝切割1/3高度、2/3高度和全分缝3个对比方案,并以承载能力极限状态设计式定义的比值为依据,综合评价了碾压混凝土重力坝抗震安全状态。结果表明：当输入波为规范波时,在MCE作用下,横缝切割1/3高度和2/3高度方案坝基面的抗力效应比系数(η)均大于1,全分缝方案下η_min=0.91,且总计6次在0.6 s时长内η值均小于1,经综合考虑,横缝切割2/3高度可作为施工推荐方案。研究成果可为高地震烈度、复杂地质条件下的碾压混凝土重力坝工程优化布置提供参考。     

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。     

Kelvin模型黏弹性圆柱体轴向流动中的动力特性

对线、转动弹簧支承Kelvin模型黏弹性圆柱体轴向流动中的特征方程进行了推导,运用Matlab语言编程求解了其在轴向流动中的前三阶复频率,给出了在质量比β和无量纲延滞时间α一定,改变无量纲线弹簧刚度α和转动弹簧刚度b的情况下,Kelvin模型黏弹性圆柱体的前三阶模态无量纲复频率的实部及虚部与无量纲流速v之间的关系曲线图,分析了无量纲弹簧刚度对圆柱体动力特性的影响。     

基于时程分析法的重力坝抗震能力分析

利用有限元软件ADINA建立某拟建重力坝坝体-地基三维仿真模型,通过在坝基截断边界上设置黏弹性人工边界方式,模拟远域地基辐射阻尼对地震波产生的影响,基于时程分析法对该重力坝在设计地震及校核地震作用下的抗震能力进行分析.结果 表明,设计地震及校核地震作用下,该重力坝的顺河向及竖向位移最大值均产生于坝顶位置;设计地震下,坝...     

重力坝-基岩相互作用系统人工边界动力分析

以大型有限元软件ANSYS为平台集中比较了目前工程中广泛应用的几种人工边界条件,详细分析了半无限地基在各种人工边界以及不同频率的输入荷载作用下的动力分析结果的精确性和稳定性,对重力坝-基岩系统地震响应进行了数值分析。结果表明,人工边界的模拟精度与输入荷载的动力特性以及介质的弹性波速存在紧密的关系,当荷载激励频率较高时,相对较高的弹性波速才能保证人工边界的稳定性;黏弹性人工边界简单实用,能更好地模拟人工边界外半无限介质的弹性恢复性能和能量辐射作用。     

二维黏弹性人工边界单元及地震波输入在ANSYS中的实现

介于ＡＮＳＹＳ单元库中对二维黏弹性人工边界单元的缺失,为了实现将用户自定义二次开发单元二维黏弹性边界单元成功地嵌入到ＡＮＳＹＳ中,以实现对ＡＮＳＹＳ功能的扩充。以二维黏弹性人工边界相关理论和地震动输入方法的有关理论为基础,建立了既具有黏弹性人工边界特性,同时可以将地震动转化为施加在人工边界上等效荷载的二维黏弹性人工边界,进而以大型通用商用有限元软件ＡＮＳＹＳ为平台,采用ＦＯＲＴＲＡＮ语言开发了用户单元子程序ＶＳＢ＿ＵＥＬｆ,借助于ＡＮＳＹＳ中最核心的二次开发工具ＵＰＦｓ的功能特性,实现了该单元子程序在ＡＮＳＹＳ中的实现。最后通过典型算例对上述用户自定义二次开发单元的准确性与可靠性进行了验证。