基于耐震时程法的特高拱坝极限抗震能力研究EI北大核心CSCD

在对300 m级特高拱坝进行抗震安全评价时,常常面临着工程条件复杂、有限元模型自由度数目多、计算耗时较长、效率较低等问题。为了提高分析效率,节约计算成本,采用了耐震时程法来分析特高拱坝及坝基的动力损伤行为,并进行极限抗震能力研究。基于耐震时程法理论,以《水电工程水工建筑物抗震设计规范》中的标准反应谱为目标谱,采用非线性最小二乘法生成精度较高的3条耐震时程曲线。以我国西南地区某300 m级特高拱坝为例,建立了坝体—基岩三维非线性有限元分析模型,并同时考虑地震动的输入、坝体及基岩的损伤开裂、横缝的动态开合等关键问题。通过考察拱冠梁最大相对位移、横缝最大开度、坝体损伤体积比、损伤耗能等指标来综合评价大坝的极限抗震能力。结果表明,耐震时程法能够很好的反映出特高拱坝在不同强度地震动作用下的动力响应,且计算效率较高。     

空间相关多点地震位移输入峰值控制对结构非线性响应的影响

在空间相关多点地震动人工拟合中,一般控制大跨结构不同支撑点处的地震加速度反应谱及加速度峰值相同,而相应于不同支撑点处位移时程的峰值则是不同的。为了研究地震动特性及不同的位移控制条件对结构响应的影响,引入两种不同的包线函数分别模拟地震动强度或频率非平稳特性,并且按照控制不同支撑点处时程的加速度峰值或位移峰值相同,拟合了6 组空间相关多点地震动;采用多点地震动加速度/位移输入模式,对三跨连续梁桥进行了非线性响应分析。结果表明：控制地震位移时程的峰值对结构的内力和位移响应有较大的影响,位移峰值越大,结构进入的非线性程度越深,得到的结构响应越大,且与位移时程的形状无明显相关性;以加速度反应谱和加速度峰值为目标的地震动拟合中,各支撑点处位移时程的峰值离散性比较大,为了保证结构的安全,空间相关多点地震动拟合中应控制位移峰值的最小取值;地震加速度时程的频率非平稳特性对桥梁位移和桥墩扭矩影响较大,如果仅考虑地震动强度非平稳特性,则存在低估结构响应的风险。因此,大跨结构抗震分析中应合理刻画地震动时间-空间耦合特性、非平稳特性及位移输入的最小峰值,充分估计结构的非线性响应,以保证结构抗震设计的安全性。     

基于耐震时程法的钢筋混凝土框架结构抗震性能评估

耐震时程法的典型表征在于随着时间的增加,地震强度逐渐增大。基于非线性最小二乘算法合成了基于我国抗震规范反应谱的三条耐震时程曲线。以两个5层和12层钢筋混凝土框架结构为例,分别对结构进行22条天然地震动下的增量动力分析和3条耐震时程曲线输入下的非线性分析,对比研究了结构在不同强度下的最大顶点位移、最大层间位移角、最大基底剪力和结构滞回耗能分析,比较了结构在大震时的最大层间位移角分布和最大楼层剪力分布。分析研究表明,耐震时程法能较好的预测结构的抗震响应,其分析结果离散性小,宏观上与多条天然地震动分析结果的中位值吻合较好。由于耐震时程法仅需进行一次时程分析便可获得结构不同强度下的抗震响应,计算效率高,计算精度较好,这为结构的抗震性能评估提供了一种新的有效方法。     

脉冲地震动缩放水平对结构非线性位移反应影响的分析

研究缩放速度脉冲型地震动强度水平引起的单自由度(SDOF)体系非线性位移反应的偏差。采用30条速度脉冲地震记录,通过SDOF的体系动力时程分析,分析了速度脉冲型地震动分别缩放到不同目标谱加速度(Sa)、峰值加速度(PGA)、峰值速度(PGV)、峰值位移(PGD)水平时,SDOF体系非线性位移反应偏差随系统自振周期和强度折减系数变化的规律;通过对散点数据的对数线性回归确定了位移反应偏差的变化趋势,并比较了不同地面运动强度表征参数下位移偏差的稳定性。分析结果表明：位移偏差对地震动缩放系数、系统的基阶自振周期和系统的强度有一定的依赖性,合理选用缩放系数和地面运动强度表征参数能有效减小估算结构地震位移响应的偏差。     

非规则高墩曲线桥梁振动台试验研究

据模型相似原理及多点激励理论,对缩尺比1:20的钢筋混凝土高墩曲线桥梁进行地震模拟振动台试验。研究高墩曲线桥梁结构在不同频谱地震波、不同峰值加速度及局部场地效应作用下高柔桥墩损伤模式及结构动力响应规律。结果表明,高柔桥墩损伤有明显的分布柔性特点,墩高差对桥墩裂缝开展及桥梁动力响应影响显著;不同频谱地震波作用下曲线桥梁结构动力响应规律各异;曲线桥梁结构动力响应峰值与地震波加速度峰值基本呈线性增长;局部地形效应使结构动力响应增大,导致曲线桥梁结构动力响应呈非线性增长;高墩曲线桥梁地震响应有明显空间性,首尾桥墩顶径向动力响应较大,易发生横桥向落梁破坏。     

基于XFEM的强震区砼重力坝开裂与配筋抗震措施研究

已有震害表明,混凝土坝遭遇强烈地震将不可避免地产生开裂。扩展有限元法（XFEM）通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式,使得对非连续位移场的表征独立于单元边界,可以有效描述混凝土中的裂纹扩展。基于扩展有限元模型,采用合理的地震波动模型对国内某混凝土重力坝强震下的动力破坏过程进行了分析;针对大坝破坏情况,应用嵌入式滑移模型模拟了混凝土重力坝配筋前后的地震响应和破坏状况,据此评价局部配筋的抗震效果。研究表明,局部配置抗震钢筋虽无法防止裂缝的发生,但可有效限制坝体裂缝的开裂扩展范围及深度,减少裂缝的开度,有效改善坝体的抗震性能。     

行波效应对大型水电站厂房地震响应的影响

为研究行波效应对平面尺寸较大的水电站厂房结构地震响应的影响,选取某实际厂房结构,建立三维有限元模型,借助ABAQUS有限元软件,采用振型分解时程分析法进行结构动力计算。调整Koyna水平地震波加速度峰值为0.246g作为地震荷载。结果表明行波效应影响厂房结构位移响应主要体现在动位移峰值上,波速不大时可能使动位移峰值最大减小25%;对加速度响应峰值和响应时程影响都较明显,波速较小时可能使得结构加速度峰值滞后于地震加速度峰值出现;不考虑行波效应对厂房结构设计是偏安全的。如工程所在地地震波传播速度不大,可以适当考虑行波效应,以使结构设计更趋科学合理。     

基于主余震序列的高拱坝极限抗震能力损失研究EI北大核心CSCD

目前,高拱坝的抗震安全性分析中仅考虑单独主震的作用,而忽略地震中可能伴随发生的多次余震,对高拱坝在主余震序列作用下的动力响应规律尚缺乏充分认识。以大岗山拱坝为例,建立了综合考虑坝体损伤非线性、横缝开合以及半无限地基辐射阻尼效应的拱坝-库水-地基有限元分析模型,并基于耐震时程法(ETA)构建主震-ETA余震序列进行高拱坝非线性动力分析。研究结果表明:ETA的计算结果与增量动力分析法(IDA)具有可比性;高拱坝的极限抗震能力在主震受损情况下将发生损失,且随主震强度增大而损失增加。最后,基于主震-ETA余震序列计算结果给出了大岗山拱坝的极限抗震能力损失曲线。     

混凝土重力坝抗震配筋加固数值模拟分析

针对地震作用下重力坝损伤开裂直接影响大坝安全问题,以Koyna水坝为研究对象,提出两种不同抗震配筋形式,利用混凝土塑性损伤开裂模型计算不同配筋方案混凝土重力坝地震响应。采用钢筋混凝土嵌入式模型考虑钢筋加强作用,据断裂能守恒原理调整混凝土软化段曲线,获得强化后混凝土本构。数值分析结果验证在坝体薄弱部位进行抗震配筋的必要性与实用性。     

基于能量耗散碾压混凝土重力坝地震损伤分析

摘　要：采用塑性损伤力学对混凝土重力坝进行非线性动力分析,通过研究塑性损伤本构中滞回曲线的特点以及地震中重力坝裂缝发展特征和结构能量耗散机理,建立了包含能量特性的大坝整体损伤评价指标。通过分析发现强震作用下坝体上部的损伤是结构的主要损伤,地震中的能量以结构阻尼耗散能量为主,混凝土损伤和塑性耗散的能量所占比例不大,但与裂缝的发展有直接关系。提出的大坝整体损伤指标可以综合的反应结构的整体损伤程度,以此对结构进行抗震设计,可以提高结构的抗震性能。     

混凝土重力坝气幕隔震效果研究

基于气幕隔震控制的气-液-固三相耦合数值模型,在该模型中考虑了坝体混凝土的开裂行为,采用黏弹性人工边界模拟坝基截断边界的辐射阻尼效应,首次完成了混凝土重力坝气幕隔震效果的三维非线性数值模拟。结果表明:气幕可以有效降低坝体上游面的动水压力及坝体加速度反应,从而减小坝体的开裂范围。随着气幕厚度的增大,动水压力和加速度削减越多,削减幅度的提高率递减。采用变厚度气幕能提高利用率,更有效地发挥气幕的隔震效果,该工况,变厚度气幕对混凝土重力坝动水压力极值的削减幅度约为50%,坝顶加速度峰值的消减幅度超过30%。     

基于刚柔指标的高层钢框架抗震韧性评估

不同建筑物具有不同的固有动力特性,结合建筑物的结构高度和基本周期可表示为结构刚柔指标,结构的刚柔属性会使得建筑物的震时位移响应和加速度响应不同,进而出现了震后损失情况的差异。以偏刚性钢框架(RF)和偏柔性钢框架(FF)各一栋为研究对象,基于设防地震和罕遇地震作用下的弹塑性时程分析结果和由建筑信息模型得到的构件易损性数据,按照我国《建筑抗震韧性评价标准》(GB/T 38591-2020)对高层钢框架结构进行抗震韧性评估。RF和FF的评估结果显示：RF的层间位移角响应更小、楼面加速度响应更大,FF的响应则相反,说明各类结构构件和非结构构件的修复费用比例、修复时间以及造成的人员损失与结构刚柔指标有关。     

商用客机对核安全壳撞击破坏效应的数值模拟分析

为研究商用客机撞击下新型核反应堆安全壳安全防护性能,该文建立新舟600飞机和安全壳精细化有限元模型,采用LS-DYNA软件对撞击全过程进行数值模拟,分析安全壳结构位移响应和局部损伤破坏情况。分析表明:新舟600撞击力时程曲线中的峰值荷载是因引擎和机翼撞击安全壳所致,撞击力时程曲线与Phantom F4战斗机和Boeing 707客机撞击力时程曲线的形状大体相似,但撞击持续时间、峰值荷载大小有较大差别;在正常巡航速度撞击下核安全壳局部破坏较为严重,局部变形量超过规范许可值,密闭性能受到影响;采用在直接施加撞击荷载的计算方法不能反映安全壳真实的响应和损伤破坏。     

远场长周期地震动频谱特征周期与强度指标研究

目前尚未有针对远场长周期地震动的频谱特征周期表征参数与抗震分析用强度指标。选择40条远场长周期地震动,采用MATLAB编制程序,分别计算对应于每条地震动的12种代表性频谱特征周期参数与20种强度指标。基于远场长周期地震动频谱特征周期的平均值及变异系数计算结果,分析各周期参数的特性,并通过计算远场长周期地震动的20种强度指标与以周期和延性系数为变化参数的400个弹塑性单自由度体系5种最大地震响应(最大加速度、最大速度、最大位移、最大输入能、最大滞回耗能)间的相关系数,分析各强度指标与地震响应间的相关性。结果表明:不同周期参数所反映的地震动频谱特性不同,稳定性亦存在较大差异,分析建议以Hilbert边际谱平均周期Tmh作为远场长周期地震动的频谱特征周期表征参数;远场长周期地震动强度指标与最大地震响应的相关性和强度指标的类型、自振周期以及延性系数均有关系,其中,PGV与PGD在各周期范围内均与最大地震响应具有较好的相关性,且相关性随自振周期的增大而增强,建议作为远场长周期地震动抗震分析用强度指标。     

地震动峰值位移对单自由度体系非线性动力反应的影响

研究了在输入地震动加速度反应谱与峰值速度不变的条件下,地震动峰值位移对单自由度体系(SDOF)动力反应、尤其是非线性动力反应的影响.首先,利用在时域内叠加窄带时程的方法合成出加速度反应谱与峰值速度相同、但峰值位移相差2倍的两组人工地震动时程.其次,利用理想弹塑性SDOF体系的初始自振周期描述其刚度特性、利用屈服强度衰减...     

考虑材料参数空间变异性的沥青混凝土心墙坝‑覆盖层系统地震响应研究EI北大核心CSCD

覆盖层及坝体材料参数的空间变异性往往显著影响沥青混凝土心墙坝‐覆盖层系统的地震响应。提出一种基于数论选点的空间随机场模拟技术,通过数论选点方法实现随机点集分布优化,采用正态或对数正态分布函数考虑材料参数空间变异性,采用高斯型自相关函数考虑材料参数空间相关性,通过协方差分解生成随机参数库,实现了基于蒙特卡洛法的考虑坝体‐覆盖层材料空间差异性及相关性的随机场模拟和“非侵入式”随机有限元计算。以某实际工程为例,选取静力邓肯‐张E‐B本构模型和动力等效线性黏弹性本构模型中的敏感参数作为随机参数,分析了沥青混凝土心墙坝坝顶、心墙顶水平向峰值加速度和坝体竖向永久变形的均值、变异系数及95%的置信区间限值等统计规律及概率分布检验;分析了输入地震动对随机响应离散程度和相对于确定值超越概率的影响。结果表明:数论选点法可以显著优化随机点集分布和提升计算效率;考虑材料参数的空间随机性会大概率引起坝体地震响应增大;坝体和覆盖层材料的空间差异性对坝顶和心墙顶水平峰值加速度的影响大于对永久变形的影响;坝体的地震响应统计结果不一定符合正态或对数正态分布;忽略材料参数的空间变异性会造成沥青混凝土心墙坝‐覆盖层系统不同工况不同指标地震响应50%~90%概率的低估;覆盖层地震响应结果的离散程度大于坝体及心墙。     

远场类谐和地震动下的高层结构地震响应与损伤机理分析

远场类谐和地震动是一种特殊的长周期地震动,其较大幅值的类谐和波可能给高层结构带来不利影响。通过对远场类谐和地震动的类谐和波段进行分析,探讨类谐和波段与加速度反应谱的第2波峰之间的关系;然后对某高层框筒结构的实例模型进行弹塑性动力时程分析,分析结构的地震位移和内力响应、周期变化曲线、损伤云图、压缩损伤指数以及结构顶点位移响应的功率谱密度,并讨论结构损伤的程度、时刻和位置与类谐和波的关系。结果表明:类谐和波段与加速度反应谱的第2峰值存在一一对应的关系;高层结构在6度中震强度的远场类谐和地震波下的地震位移响应超过了7度大震强度的普通地震波下的值;幅值较大的类谐和波是导致结构刚度迅速衰减的主要原因;结构损伤最严重的时刻并非发生在地震最大能量输入时刻,而是推迟到了类谐和波段,且结构损伤最严重的位置呈现向结构底部移动的趋势。     

地震动频谱特性对隔震结构响应及损伤影响研究

针对地震动复杂频谱特性对隔震结构响应及损伤影响进行研究,用加速度反应谱平均周期Tr表征地震动周期特性,用Bouc-Wen模型及刚度退化的Bouc-Wen模型分别描述隔震层与上部楼层的滞变特性,建立隔震结构的质点系非线性分析模型,考虑隔震支座压剪相关性与拉压性能差异建立隔震体系损伤指数模型,分析不同地震动输入加速度幅值及不同Tr与对隔震结构地震反应、损伤影响规律。分析表明,在地震动高频范围内隔震结构响应随输入加速度峰值增加而增加,但对长周期地震动,输入加速度峰值对隔震结构地震反应影响较小,地震反应呈较大离散性、无规律性;在相同加速度幅值输入下隔震层地震反应、损伤的离散性远大于上部结构,在共振区内虽出现最大地震反应,但也会出现较小地震反应,表明隔震结构瞬时共振为非常复杂的过程。研究可为揭示地震动特性与隔震结构地震反应及损伤的关联性提供分析依据。     

实心结构古塔模型频域地震响应试验研究

为研究地震作用下实心结构砖石古塔的频域地震响应与破坏机制,进行了兴教寺玄奘塔1/8比例模型振动台试验,观察结构的破坏特征,测试结构的加速度与位移反应并分析自振频率的变化特征,对比单向EL-Centro波与天津波作用下的加速度及位移频域响应曲线,分析了古塔结构频域地震响应的规律及其影响因素。结果表明:地震波激励下古塔结构模型第1层至第3层出现水平及斜向裂缝,当古塔结构发生地震损伤后,自振频率随之降低;古塔频域地震响应峰值的分布及其所对应的频率与结构的动力特性、地震波的频谱特性有关。因此,地震作用下实心砖石古塔结构频域地震响应与结构损伤程度密切相关。     

混凝土大坝在水下爆炸作用下的动力响应分析

为了研究混凝土大坝在水下爆炸冲击荷载作用下的应力分布和动力响应,利用ANSYS/LS-DYNA软件建立大坝结构爆炸数值分析模型,包括炸药、水介质、空气介质、坝体混凝土、岩石五个部分。选取底宽60 m、高85 m的大坝作为研究对象,考虑爆炸荷载作用下混凝土大变形和高应变的影响,采用HJC(Holmquist-Johnson-Cook)本构模型模拟坝体混凝土的损伤破坏和塑性变形,研究了不考虑重力和考虑重力的两种模型条件下可能的破坏模式和破坏机理。数值模拟得到爆炸后大坝的应力分布,进而选取4个典型位置点研究其位移时程和压强时程。研究表明：爆炸初始产生的缺口是冲击波扩散的起点,冲击波会发生多次反射,爆炸初始时最大应力可超过50 MPa,之后在10～30 MPa之间震荡。各个典型位置均在第1次反射时达到最大峰值压力,可将第1个反射压力作为弧面板的爆炸冲击荷载;最大von Mises应力出现在爆源附近的缺口以及坝坡转角等易发生应力集中处;典型位置的位移与距离炸药位置呈负相关;重力产生的位移和压力对爆炸响应起抵抗作用,但最大von Mises应力无显著区别。