高坝抗震安全理论发展趋势研究

水电工程是我国绿色清洁能源开发利用和防洪减灾的关键基础设施,在我国未来很长一段时间内都是重大基建工程的重要组成部分。高坝作为水利水电枢纽的关键组成部分,其运行期间的抗震安全极其重要。本文全面评述了国内外高坝抗震安全的发展历史和现状,详细分析了目前高坝抗震安全研究中存在的问题,指出我国大坝抗震设计及其研究水平已经处于国际先进水平,但300 m级高坝抗震安全问题仍面临着诸多技术挑战,抗震设计的理念和方法没有实质性的突破,已难适应发展迅速的高坝建设实践,可能随着建设工程进入运行阶段而带来隐患。针对目前现状,本文分4个方面阐述了高坝抗震安全研究今后的发展趋势和关键科学问题,明确了重点研究方向,为国家重大工程建设和可持续发展相关决策提供参考。     

无限介质中波动散射问题时域求解的算法研究

基于阻尼抽取法，推导了针对无限空间波动散射问题的分区递归时域分析算法，隐式满足了无限介质辐射条件，消除了无限地基动刚度时域算法中的频率相关性及褶积分。该方法可以方便地反映周围无限域动力特性的影响及适应散射场表面几何结构复杂多变的情况，而且物理意义明确，简便可行。通过对均匀无限介质中SV波水平入射圆柱形孔洞时边界散射场运动的计算分析，并将结果与解析解和较成熟的Cloning单元法进行比较，证明了无限域在散射场运动中的重要影响及该方法良好的精度。     

求解非均匀无限地基相互作用力的有限元时域阻尼抽取法

由于无限地基的动力效应较难确定,结构-地基的动力相互作用主要局限于频域分析,从而限制了非线性分析应用。阻尼抽取法(DSEM)通过在有限域内施以附加人工阻尼再移频抽取的办法可以有效地模拟非均匀无限粘弹性介质的动力特性,在结构-无限地基动力相互作用分析中有较好的应用前景。在此基础上,本文提出了DSEM进行结构-地基交界面相互作用力-位移时域分析的有限元逐步积分形式算法,并给出了具体实现公式,可以更好地适应工程有限元计算及与结构-地基相互作用程序结合的需要。最后,以实例形式论述了该方法良好的精度及实现中各个关键因素的影响。     

细观夹杂理论预测湿态混凝土抗压强度

采用复合材料细观力学方法,探讨各种组分不同体分比、不同孔隙率及不同饱和度情况对湿态混凝土力学性能的影响。混凝土材料各相组分包括:粗骨料、水泥砂浆、活性孔隙和非活性孔隙,其中活性孔隙湿态情况下将由自由水填充。将两类孔隙和水泥砂浆作为等效基体,粗骨料作为硬化夹杂,基于等效夹杂理论和Mori-Tanaka平均场的思想建立了一类双重夹杂模型。并结合细观断裂力学方法建立了综合考虑多种因素的统一的混凝土单轴压缩强度公式,通过参数分析反映各种因素对材料抗压强度的影响。理论分析结果表明:混凝土强度由骨料或水泥砂浆基体中较弱的一相所控制;与干燥混凝土相比,孔隙水的存在将导致湿态混凝土抗压强度降低;理论结果与试验观测现象相一致。     

地下结构动力响应的复合参数识别研究

在地下结构的动力分析中,通常将结构周围土体的约束简化为作用在结构上的弹簧和阻尼器,针对剪切型地下结构和一般多自由度地下结构分别提出了识别结构参数和周围土体附加参数的方法。通过建立系统的时域运动方程,剪切型模型结构的参数和其周围土体的附加参数可被同时识别;而对于一般的多节点有限元模型结构,则采用两阶段法识别。首先通过建立不含附加参数的运动方程来识别结构参数,然后把识别得到的结构参数代入到包含附加参数的运动方程来识别附加参数,最后通过数值算例说明了所提出的识别算法的可行性。     

基于多个响应量的拱坝地震易损性分析

以白鹤滩拱坝为研究对象,选取成组强震记录,同时考虑地震动和材料的不确定性,采用增量法对白鹤滩拱坝进行了地震易损性分析。统计连续调幅地震动作用下拱坝损伤破坏过程,直观的划分了拱坝地震破坏等级,确定了拱冠位移、横缝开度和损伤体积比这三个响应量在各破坏等级间的界限值,从而可通过这三个响应量定量描述拱坝的破坏等级。通过拟合增量动力分析结果,分别建立了三个响应量的概率地震需求模型,进而求得地震易损性曲线,并综合比较了不同破坏等级下基于三个响应量的易损性曲线,全面反映了拱坝易损性。利用易损性曲线可以预测不同强度地震作用下拱坝达到各级破坏的概率,为基于性能的拱坝抗震安全评价提供了理论依据。     

框架结构群体震害易损性快速评估研究

钢筋混凝土框架结构作为城镇中使用最广泛的建筑之一,在汶川地震中不同使用用途框架表现的抗震能力差异较大,因此建议在地震震害评估中,应将结构按结构型式和使用用途进行分类。在此分类基础上,研究出一种简便实用的地震群体易损性分析方法,不需要了解结构详细力学参数,影响结构抗震能力的主要因素参数从房屋普查资料中即可获得,将模糊相似理论引入到群体易损性分析中,并与能力谱方法相结合应用于框架结构中,可在震后第一时间快速评估出不同使用用途的框架群体的震害情况,分析结果满足精度要求。最后,以某地区工业类框架结构为例,得到了该类框架结构的易损性矩阵,验证了方法的实用性和准确性。     

基于耐震时程法的重力坝失效概率密度演化分析

混凝土重力坝在强地震动作用下的响应,对结构的安全评价及损伤破坏模式有着深远的影响。采用耐震时程分析(ETA)法生成耐震时程加速度曲线(ETAs),获取Koyna混凝土重力坝在地震作用下的动力响应,得出结构在不同损伤评价指标下的概率密度演化过程及失效概率时程曲线。建立Koyna混凝土重力坝有限元模型,模拟坝体在ETA时程下(对应均匀增加的峰值加速度)的动力响应及损伤过程;采用塑性耗散能、损伤耗散能、损伤体积及基准损伤体积作为损伤评价指标,基于概率密度演化(PDE)理论,建立其概率密度演化模型,利用概率密度演化法计算不同损伤评价指标下的概率密度曲线随ETA时程的演化过程;选取2个典型破坏状态分别作为中等破坏、严重破坏的评价标准,结合概率密度曲线与失效概率的关系,分析并比较不同损伤评价指标、不同评价标准下的失效概率时程曲线,实现了坝体在不同峰值加速度地震动下的失效概率分析评价。对于以往的研究结果,损伤评价指标服从正态分布只是一种假定,并没有详细的依据,从本文的分析结果可以看出:损伤评价指标的概率密度分布结果只是近似于正态分布的形式,用PDE法得到的损伤评价指标的概率分布结果与正态分布的形式有一定的偏差;基于耐震时程加速度曲线下的概率密度演化过程具有较高的计算效率及精度,与正态分布假定相比具有明显的偏峰,更趋近于真实的概率分布;选取塑性耗散能、损伤耗散能作为损伤评价指标可以更保守地表征坝体在不同地震动强度下的失效概率。     

输水隧道流-固耦合地震反应研究

目的为了研究在考虑介质的辐射阻尼的情况下，穿越软土地区的浅埋大管径输水隧道在内水作用下。其水体晃动、阻尼系数、地震激励方向、内水压力、围岩种类、围岩和衬砌的非线性以及衬砌的厚度对衬砌的地震响应的影响．方法根据流固耦合原理建立内水-衬砌-围岩三者的运动方程。以一穿越河底的输水隧道为例，采用三维流固耦合有限元程序对其进行地震反应分析．其中管内水体采用基于势的流体单元．结果经分析得出其中水体晃动、地震激励方向、高内水压力、围岩种类，围岩非线性及衬砌的厚度都对衬砌的地震响应的影响很大．结论采用有限元理论分析了对衬砌的地震响应有影响的几个因素，为工程设计与施工提供了可靠的理论依据．     

基于率性损伤模型的混凝土重力坝地震响应分析

为研究混凝土材料动态力学特性与应变率的关系,引入损伤张量随应变率的变化建立了应变率相关的砼非线性损伤模型,并对一混凝土重力坝的地震响应进行了分析．结果表明,在地震过程中的混凝土应变率变化使得结构各处的强度和刚度提高的程度不同,对结构控制部位的响应和安全性评价有重要影响．