龙羊峡重力拱坝模态识别与材料参数反演

基于龙羊峡重力拱坝实测振动数据,利用随机子空间法进行了大坝模态参数识别,建立了坝体-地基-库水系统的三维流固耦合有限元模型。根据识别出的一阶频率,分别考虑均质地基及分层地基,反演了坝体与基岩材料参数,并通过有限元软件ABAQUS进行了大坝的动力特征分析。结果表明:龙羊峡重力拱坝的一阶频率为2.778~3.196 Hz,反演得到坝体的弹性模量约为50 GPa~52 GPa;对于均值地基,其弹性模量的反演值为30 GPa;对于分层地基,2 490 m高程以下区域的弹性模量为34 GPa;实测振动数据反演得到的坝体弹性模量和地基弹性模量高于其设计值;龙羊峡重力拱坝的前3阶振型分别为正对称、反对称与正对称,其1阶频率和2阶频率相差较大,与重力坝自振频率分布特征相似。

材料参数对高拱坝动力响应影响研究

高坝系统运行环境复杂,与设计状态往往有比较大的差异。以溪洛渡拱坝为例,首先采用三维有限元模型基于现场实测资料反演坝体与地基材料参数,然后对比设计参数和反演参数条件下坝体的动力响应。研究结果表明,材料参数的选取对坝体-地基系统动力响应影响明显,与采用反演参数的拱坝动力响应相比,采用设计参数时坝体的动相对位移明显增加,坝肩位置横缝开度增加但中部横缝开度减小,建基面、孔口及坝踵位置损伤增加。建议对拱坝进行抗震安全性分析时采用设计参数。

物理驱动深度学习波动数值模拟方法及应用

近年来,物理先验融合数据的深度学习方法求解以偏微分方程为理论基础的正反演问题已成为交叉学科热点.针对地震工程波动数值模拟,本文阐明了物理驱动深度学习方法PINN的数学概念及实现方式,以无源项一维波动为例,开展了相关理论模型构建,并与解析解及有限差分方法进行对比,分析了PINN方法与其他数值算法模拟波场的相对范数误差,验证了物理驱动深度学习方法求解波动问题的可行性.采用物理驱动深度学习方法并结合谱元法形成的稀疏初始波场数据,开展了二维波动数值模拟,实现了自由边界条件及起伏地表等典型工况的模拟,并给出了时序波场分布特性.更换不同的初始条件,测试了神经网络的泛化精度,提出可显著提高网络训练效率的迁移学习方法.通过与谱元法的结果对比,验证了本文方法模拟均质场地、空间不均匀及复杂地形场地波动问题的可靠性.结果表明,物理驱动深度学习方法具备无网格、精细化模拟等优势,并可实现自由地表及侧边界波场透射等数值模拟条件.

高拱坝模态参数识别综述

基于振动数据识别的模态参数(频率、振型和阻尼比),可以表征坝体结构真实的动态特性,作为高拱坝长期运行期间健康状况的评价指标,还可以用于更新高拱坝数值分析模型。因此,准确识别模态参数对高拱坝的健康监测和损伤评估具有重要意义。为实时处理大量连续监测数据,有必要发展模态参数自动识别算法。文中详细综述了高拱坝模态参数识别手段、方法、以及相关进展。识别手段包括地震记录、强迫振动、环境激励等数据来源;识别方法包括最初的傅里叶变换、功率谱,到带外源输入的自回归(ARX)模型,以及希尔伯特黄变换(HHT)、频域分解法(FDD)和随机子空间(SSI)算法等;相关进展包括从最初的单次识别拱坝的模态参数,到最后的自动识别、长期连续监测、自动追踪模态参数、实时监测坝体结构健康状况,以及到有限元模型更新等方面进行综述,并提出未来的发展方向。通过综述发现,目前高拱坝模态参数识别算法可以成功识别密集模态参数,可用于更新有限元模型,长期连续监测在实际工程中具有一定的运用,是结构健康监测的核心环节。未来的研究重心可以集中到非线性结构的识别、模态特性与环境变量之间的相关关系、静动力数据综合利用、损伤识别与定位等方面。

水压和温度对龙羊峡重力拱坝水平位移的影响分析

【目的】为研究龙羊峡重力拱坝坝体水平位移与库水位变化之间存在的“相位差”并与一般混凝土坝位移随水位同步变化的规律进行对比,【方法】首先结合水压和温度对重力拱坝变形的作用机理,对存在“相位差”的原因进行假设。将龙羊峡重力拱坝的坝体水平位移分为四阶段,分析各阶段位移增量及变形速率,随后建立大坝三维模型,通过定量分析和有限元计算的方法对于上述假设进行验证。【结果】结果显示,对于重力拱坝,其水位及温度对位移均有较大影响。【结论】在无温度应力作用时,坝体径向位移随水位上升而向下游变形,在无水压力作用时,坝体径向位移随温度上升而向上游变形;龙羊峡重力拱坝水平位移一年中的变形主要分为四个阶段,水压和温度在各个阶段发挥着不同的作用,使各个阶段的变形速率不同,二者的综合作用导致了龙羊峡重力拱坝水平位移和库水位变化之间“相位差”的存在。

溪洛渡拱坝设定地震及场地相关反应谱研究

合理确定地震动参数是高坝抗震安全评价的先决条件。基于《水电工程水工建筑物抗震设计规范》(NB 35047—2015)关于抗震设防类别为甲类的工程设计反应谱规定,本文开展了溪洛渡水电站设定地震及其场地相关反应谱研究。首先采用没有经过不确定校正的工程场地峰值加速度,确定了对场址地震动贡献最大的永善潜源,并在该区域内进一步确定设定地震;然后将发生概率最大的情景地震作为给定设防水准的设定地震;最后选用美国西部AS08反应谱预测方程,生成与设计地震和校核地震对应的场地相关反应谱。研究成果可为进一步开展基于真实动力工作性态的溪洛渡拱坝抗震研究提供基础,并可为同类工程抗震安全评价提供借鉴参考。

基于不同设计反应谱的溪洛渡拱坝动力响应分析

合理的设计反应谱是保证高拱坝动力分析和安全评价结果可靠的前提。为研究不同反应谱时程对拱坝非线性响应的影响,分别基于GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》设计反应谱、DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》设计反应谱、以及溪洛渡场地相关反应谱,拟合出地震动时程,采用溪洛渡拱坝-库水-地基系统非线性损伤开裂模型进行拱坝的非线性地震响应分析。结果表明:反应谱的选择对溪洛渡拱坝地震响应影响显著,相比于2000年标准反应谱,2018年标准反应谱使溪洛渡拱坝坝顶最大动相对位移增加、坝顶上游面横缝开度增大、孔口和坝踵位置损伤加深。并且,2018年标准下的坝体动力响应整体高于基于场地谱的计算结果,而2000年规范下的坝体动力响应低于场地谱的计算结果,说明2000年规范理应更新,2018年标准更符合当下的抗震设计需求。

结构抗震试验方法的发展

地震荷载极大的破坏性,使得结构抗震性能的研究成为一个被广泛关注的热点问题。为了提高结构抗震研究的试验能力和试验水平,近年来在传统结构抗震试验方法的基础上,出现了一些新的试验方式和方法。本文总结介绍了目前结构抗震试验方法的一些发展趋势,包括:(1)地震模拟振动台的大型化和多台化,以进行大比例模型甚至足尺模型试验或考虑大跨度结构地震动的非均匀性;(2)进行子结构试验的实时化,以实现数值子结构模型和试验子结构模型的实时结合;(3)进行试验设备的网络化,以提高试验设备的利用率,实现资源共享等,供有关研究者参考。

二滩拱坝运行期坝体温度场反馈分析

本文基于二滩拱坝坝体监测仪器的温度观测资料,采用有限元法对坝体温度场进行了反馈分析。通过与实测温度值的比较,表明反馈温度值与实测值基本吻合,基本可以反映坝体实际温度场的分布情况,对于深入了解特高拱坝运行期坝体混凝土的实际温度变化具有重要的意义。从反馈温度场可以看出,由于二滩拱坝坝轴线方向接近南北方向,使得冬季时下游坝面温度明显呈现左右岸不对称分布,与规范设计温度荷载有很大差别,值得注意。

瑞利阻尼介质有限元离散模型动力分析的数值稳定性

本文针对几种有一般阻尼的动力系统数值积分的显式方法 ,讨论了阻尼对稳定性的影响 ,并建议了瑞利阻尼介质有限元离散模型中动力分析数值稳定性的实用稳定判别方法。

液固两相饱和介质动力分析的一种显式有限元法

以经典的Biot液固两相饱和介质动力理论为基础,建立了以固相位移和液相位移为未知量的液固两相饱和介质动力分析的一种显式有限元法。该显式方法克服了隐式方法需要求解联立方程组的缺点,具有节省计算机内存空间和计算时间的优点,可以方便地应用于求解大自由度和介质非线性问题。算例分析表明,该方法具有较高的计算精度。

二滩拱坝应力仿真及参数敏感性分析

本文基于已有的二滩拱坝温度荷载和材料参数反馈分析结果,对该坝运行期的应力状态进行了仿真分析。研究发现,坝面最大拉应力与气温密切相关并随季节周期性变化,冬季时下游面左右岸最大主应力分布明显呈不对称分布,左岸基本上以压应力为主,而右岸则出现较大拉应力区,最大值可达到2MPa以上。材料参数和温度荷载敏感性分析表明,冬季时下游坝面右岸出现的较大拉应力是由于大坝右岸基岩蚀变带和右岸下游坝面温度偏低所共同造成的,但蚀变带弹模的变化对坝体应力的影响是局部的,不致于对大坝的安全运行产生不利影响。

地基辐射阻尼对高拱坝非线性地震反应的影响

本文建立了一种拱坝-地基-库水系统地震反应分析的非线性有限元模型,可以同时考虑无限地基的辐射阻尼、坝体混凝土损伤开裂非线性和坝体横缝非线性等影响高拱坝地震反应的关键因素。利用所建立的有限元模型,以我国拟建的大岗山高拱坝为例,分析研究了地基辐射阻尼对坝体混凝土损伤开裂和坝体横缝开度的影响。结果表明,地基辐射阻尼可以明显减小强地震荷载作用下,坝体中上部的损伤开裂程度和坝体横缝的最大张开度,并改变其分布规律。

有阻尼动力方程显式积分方法的精度研究

在动力问题分析中,一种好的显式积分方法不仅要具有良好的稳定性,而且还要具有良好的计算精度。对几种有阻尼动力方程显式积分方法的精度问题进行了分析,研究了各自的局部截断误差、数值阻尼比和相对周期误差。这一研究将有助于更加全面地了解这些积分格式的性能。

位于弹性半空间上的理想流体层动力反应—平面P波入射

根据弹性介质与理想流体交界面的边界条件以及理想流体层自由表面的边界条件,基于位移势函数,推导了平面P波从弹性半空间入射到与理想流体层的交界面时,确定交界面波的透射与反射系数的理论方程。根据该方程,通过数值算例,分析了弹性半空间的弹性模量和密度、平面P波的入射角以及入射频率对理想流体层动压力的影响。

有阻尼体系动力分析的一种显式差分法

本文利用拉格朗日型的二次插值函数近似位移反应，建立了速度、加速度的差商近似公式，进而推得集中质量阻尼体系动力分析的一种显式差分法。该显式差分格式具有二阶计算精度，与目前常用的有阻尼体系动力求解的几种格式相比，具有明显减少计算工作量的优点。

库底饱和淤积砂层对高拱坝地震反应的影响研究

本文中采用时域显式有限元方法,将库底淤积砂层模拟为重流体,以小湾拱坝为例,分析可压缩库水条件下库底饱和淤积砂层对高拱坝地震反应的影响。计算结果表明,从总体上来说饱和淤砂层的存在对高拱坝地震反应影响较小,但是仍有一些局部反应的变化值得注意。

分层介质中波动传播分析的显式有限元法

基于单相固体介质、液固两相饱和介质和流体介质动力分析的显式有限元法,结合交界面边界条件和人工透射边界,建立了由单相固体介质、液固两相饱和介质和流体介质等不同类型层状介质形成的多层介质中波动问题分析的显式有限元法。该方法可以直接进行逐步积分,而不需求解联立方程组,大大简化了计算过程,可以非常方便地用于分析分层介质的各种波动传播问题。

振动台实时耦联动力试验系统构建解决方案

实时耦联动力试验(RTDHT)是一种将物理模型试验和数值求解计算实时耦联在一起进行整体结构动力反应分析的新型结构动力试验方法。构建实时耦联动力试验系统将面临数值子结构实时计算、数据实时传输、加载器精确加载等问题。本文首先以清华大学新近建成的一套基于振动台的实时耦联动力试验系统为例,对试验系统构建中面临的问题以及相应的解决方案进行了阐述,对构建实时耦联动力试验系统提出了一些指导性的建议。随后简要介绍了利用该系统已经进行的一些实时耦联动力试验,并对实时耦联动力试验可能的应用前景进行了探讨。

位于弹性半空间上的理想流体层动力反应——平面SV波入射

根据弹性固体与理想流体动力学方程,导出了固-液介质交界面上波的透射与反射系数的理论公式,分析了平面SV波从弹性半空间入射到与理想流体层的交界面时,弹性半空间的弹性模量和密度,平面SV波的入射角和频率,以及流体的体积模量和密度对理想流体层动压力的影响。