直流换流阀海上运输动力响应分析方法研究

大型变电设备在驳船实际运输中,在风浪、潮流等外部作用下经常发生不同程度的损坏,研究最不利环境下设备的动力响应,对运输设备的安全性进行探讨是必要的。为此,以某海上直流换流阀塔为研究对象,基于其自身振动特性研究其在海上运输的动力响应,针对海上运输环境复杂多变、研究工况多、时频分析计算周期较长,在功率谱分析的基础上提出了基于拟静力的分析方法。结果表明:当波浪频率与结构基频比值小于0.15时,可用拟静力分析方法直接得到结构应力响应,位移响应则需对拟静力结果放大1.30倍修正以保证安全;当波浪频率与结构基频比值接近1.00时,结构响应的放大系数和频率比呈线性相关。该研究为设备的海上运输安全评估及加固提供依据。

坝前滑坡涌浪压力分布对震损拱坝损伤影响的研究

强震中震损边坡在震后比震前更容易诱发滑坡,震后滑坡涌浪可能会对震损拱坝产生附加损伤,可能造成坝体溃决。现有的滑坡涌浪对坝体研究主要针对震前完好拱坝,并且通常将坝前涌浪简化为沿着拱向波高及相位完全相同。然而关于滑坡涌浪的研究表明,传播至坝前的涌浪在坝面不同位置存在比较明显的高度差和时间差。针对强震中震损拱坝在震后承受涌浪冲击的问题,本文以某高拱坝为例,基于中国水科院涌浪高经验公式,分析了坝前涌浪高的分布规律,识别出了三种典型的坝前涌浪压力分布形式。基于所定义的拱坝损伤影响度量指标,分析不同坝前涌浪压力分布对震损拱坝损伤的影响。结果表明,坝前涌浪分布存在高度差和时间差时,其压力分布对震损拱坝的影响比按均匀分布涌浪考虑的影响会更大。以均匀分布的涌浪压力形式分析震损拱坝所受的影响时,对危险性的评估会怕偏于不足,因此,建议考虑坝前涌浪空间分布和时间特性的影响。该研究结果可为震后滑坡涌浪的安全评价提供参考。

扩大基础和垫座对高拱坝地震动响应的影响研究

中国的高拱坝多位于西南部地震多发且地形地质条件复杂的地区,在地震作用下极易造成坝体局部开裂和整体失稳。以金沙江下游白鹤滩拱坝为研究对象,探讨扩大基础和垫座对坝顶和拱冠梁最大位移、横缝开度、坝体损伤体积比等地震动响应的影响特点。分析结果表明扩大基础和垫座具有如下优点:使拱坝左右两侧的体型更趋于对称,对减小坝顶和拱冠梁的位移响应有利。以增大边缝开度为代价而使坝体中部横缝开度显著减小,且使横缝张开趋于均匀,对充分发挥止水片密封效果有利;能够明显减小坝体的损伤体积比;其中,扩大基础对坝体位移和损伤体积比的减弱效果明显优于垫座。但是,随着地震动强度增加,扩大基础和垫座对位移响应约束能力逐渐减弱。研究结果证明了扩大基础和垫座对增强拱坝抗震能力的有效性,可为类似高拱坝工程建设提供有益参考。

考虑接触问题的多边形有限元重力坝抗震断裂研究

抗震断裂问题是混凝土重力坝的重要研究内容,数值模拟则是针对此类问题的主要研究方法,现有断裂算法存在计算效率较低,大多未考虑接触等问题。为此,构造了高效的平均值坐标插值多边形单元和接触薄层单元,并将二者耦合后用于结构裂缝扩展的数值模拟。该方法将具有奇异特性以及复杂几何区域网格自适应性强的多边形有限元方法与平均值坐标插值方法、局部多边形网格策略结合起来模拟裂缝扩展;通过等参子三角形方法进行数值积分,求解刚度矩阵;基于最大周向应力准则,采用混合断裂强度因子作为起裂判据;针对裂缝面间的接触问题,引入张剪状态下的黏聚力模型以及压剪状态下的光滑接触模型。基于上述方法,通过Matlab编程的方式开发出一套能模拟裂缝扩展的程序,并通过对含边裂缝的PMMA板试验和含预设裂缝的四点剪切梁试验的模拟,验证了程序的准确性与有效性。最后,以含有预设裂缝的柯伊纳混凝土重力坝为例,对其在是否考虑接触问题下裂纹扩展的情况进行了对比分析,结果表明该程序模拟裂缝真实准确,具有计算速度快、结果文件小等独特优势。

考虑坝体材料参数随机性的拱坝易损性分析

施工过程和混凝土材料自身属性会导致拱坝坝体材料具有随机性。为了评估在强地震动作用下坝体混凝土材料随机性对拱坝抗震性能的影响,以白鹤滩拱坝为对象研究了表征混凝土非均匀程度的相关长度以及材料参数均值与拱坝损伤破坏的关系。分析中采用耐震时程法(ETA)生成人工地震动时程,假设坝体材料参数值服从特定区间内的均匀分布,同时为考虑坝体材料局部连续性,将相关长度引入到均匀分布公式中,基于协方差矩阵分解法和中心点离散技术建立了对应不同相关长度的拱坝随机场有限元模型,分析了其在地震动作用下的动力响应。选择相对位移、横缝开度和损伤体积比作为评价指标,通过概率密度演化法(PDEM)和直接概率积分法(DPIM)计算各指标的时变概率密度曲线,并计算了不同指标的失效概率曲线,以评价坝体在不同峰值加速度下的失效概率。分析结果表明:考虑坝体材料的随机性后,坝体损伤分布分散,且不同工况的分析结果离散性较大;损伤情况主要受相关长度和材料参数均值的影响,相关长度越大,坝体的抗震性能越好。

考虑抗力退化的混凝土坝时变可靠性分析方法

混凝土坝服役期间,由于具有随机时变性,结构抗力性能随时间发生不确定性退化,因此有必要从时变可靠度角度评估其运行安全性能。在概率密度演化理论(PDEM)的框架内,提出一种基于PDEM的时变可靠性分析方法(EP-TSR),即利用演化过程建立坝体结构时变响应的概率密度演化方程,引进虚拟随机过程技术再次建立概率密度演化方程并求解得到随机性初始条件,最终得到坝体静态响应的概率密度曲线演化规律和丰富的时变概率统计信息,并将该方法与Monte Carlo方法计算得到的结果进行对比。结果表明,EP-TSR法应用于混凝土坝有效、合理,且具有更高的计算精度和效率。

基于耐震时程法的拱坝-地基系统易损性分析

为研究高拱坝-地基系统在强地震动作用下的易损性,本文以白鹤滩拱坝为研究对象,采用耐震时程法(endurance time analysis,ETA)生成人工地震动时程进行动力时程分析.选取最大横缝开度、损伤体积比和顺河向相对位移为指标.分别选取典型破坏状态作为结构破坏标准,基于回归曲线方法、矩估计、多样条分析法和截断最大似然估计等方法获取结构的易损性曲线,探究拱坝结构在不同峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)水平下的失效概率,从而从概率角度给出了拱坝-地基系统在不同地震动强度下的破坏状态.从分析原理和实际计算结果出发,矩估计和多样条分析法更适合与ETA法相结合来分析拱坝结构的易损性.

大型地下结构三维地震响应特点研究

采用阻尼影响抽取法分析了地下结构无限围岩介质的动刚度特性,建立了岩石地下结构抗震分析的实用相互作用分析时域模型,比较研究了地下结构-围岩动力相互作用分析中地震动输入机制、无限围岩动刚度及结构特性等各种主要因素对地下结构地震响应的影响程度.指出几种常用地下结构地震响应近似分析方法只在一定条件下适用,无限介质的阻尼特性对结构响应起着重要的作用.

地震动频谱对小湾拱坝非线性响应的影响

将时间信号时 -频联合分析的自适应谱方法用于研究地震地面运动的频率非平稳特征、提取频率非平稳信息 ,统计得到各个频段地震动成分的强度变化过程。在此基础上 ,应用均匀调制随机过程模型和演变随机过程模型合成人工地震波 ,以此为输入对高拱坝进行了考虑地震动时 -频非平稳性的动力响应分析。结果表明 ,在地震力作用较小时 ,影响不大 ,但对地震力作用较大的高拱坝 ,地震动的非平稳性对拱坝非线性地震响应的影响不可忽略。

浅埋软土地铁车站地震响应数值分析

采用大变形和粘性边界条件,建立土-结构相互作用的二维动力模型,对浅埋软土场地地铁车站地震荷载作用下的动力响应进行数值研究,分析了地铁车站结构的水平相对位移反应和加速度反应,研究了地铁车站结构的埋深对结构地震位移的影响,并对地震作用下对地铁车站结构的内力进行了比较分析,对地铁车站结构的抗震设计提出了一些看法和对策。

水流作用下悬浮隧道锚索的动力响应

为研究涡激振动和参数振动共同作用下锚索的横向振动响应,在考虑锚索垂度效应基础上建立了悬浮隧道锚索-管体耦合非线性模型,并通过伽辽金法和龙格-库塔法进行了数值求解和分析。结果表明:锚索的涡激振动可以激发系统的参数振动,系统的初始扰动对锚索的瞬态振幅影响很大,锚索的稳态振动振幅最终由涡激振动决定,涡激振动和参数振动共同作用下的系统响应比任何一种单独作用时都要大。

结构-地基动力相互作用时域数值分析的显-隐式分区异步长递归算法

动力相互作用时域数值分析的精度与效率是面向大规模工程问题解决的重要问题。在阻尼溶剂抽取法模拟地基无限域动力性质的基础上,提出并发展了结构–地基动力相互作用时域数值分析的显–隐式分区异步长递归算法,分别在结构、地基分区计算中进行大步长隐式与小步长显式求解,而且采用预报–校正显式积分与Newmark隐式积分,具有相同的运动量数值积分假定,可自然满足分区交界面位移协调性条件。在满足工程精度要求的条件下,分区异步长显–隐式求解算法使动力相互作用时域数值计算效率较传统小步长显式积分算法得到大幅度提高,可明显促进阻尼溶剂抽取法在大规模工程问题分析中的应用。并就积分时间步长、结构–地基交界面异步长内插格式及位移协调性关系对结构动力响应的影响进行数值对比研究,可为具体计算中的参数选择提供依据。

悬浮隧道锚索的涡激动力响应分析

参考斜拉桥拉索的振动微分方程,利用动力学方程和莫里森方程,建立了锚索涡激振动方程,计算并讨论了锚索倾角、张力和长度的改变对其横向振动的影响。计算结果表明:锚索拉力和倾角的减小将引起振动幅值的增加和一阶固有频率、引起涡激流速锁定的流速、最大响应时的参数激励频率的减小;锚索垂直深度的减小将引起振动幅值的减小和一阶固有频率、引起涡激流速锁定的流速、最大响应时的参数激励频率的增加。

超大型地下洞室群的三维地震响应分析

在大型水电站、核电站的地下厂房及大型地铁车站等超大型地下洞室群结构的动力反应分析中 ,围岩的动刚度特性不仅涉及到围岩对结构的动力约束作用 ,而且也是地震动输入机制的关键和地下结构分析中的难点。采用阻尼影响抽取法研究了围岩动刚度的动力特性 ,提出了岩石地下结构抗震分析的实用算法。该算法具有较好的精度和计算效率。在此基础上对溪洛渡超大型地下洞室群的抗震安全性进行了评价。

超大型地下洞室群的随机地震响应分析

地下结构的地震响应分析由于结构 -围岩的动力相互作用及地震动输入的不确定性而十分复杂 ,尤其是对空间尺度很大的大型水电站的超大型地下厂房洞室群 ,地震动输入的空间变化特性将对结构的地震动响应产生重要的影响 .本文首先通过阻尼影响 -抽取法求出地下结构无限围岩介质的动阻抗 ,在此基础上通过考虑地震动输入空间变化的随机过程模型 ,采用随机分析方法研究了地震动输入机制对地下洞室群动力响应的影响 .结果表明 ,地震波的行波效应、空间相干性损失及散射效应是影响地下结构动力响应的关键因素 .考虑地震波的行波效应和空间相干性损失可以使地下结构的地震响应降低 ,但是地震波的散射效应可以增大地下结构的地震响应 ,结构的动力响应分析必须综合考虑这几项影响 .

考虑混凝土应变率变化的高拱坝非线性动力响应研究

提出一种新的应变率相关的混凝土非线性弹塑性损伤模型,采用此模型对混凝土拱坝的非线性地震响应作了分析。在综合考虑坝-地基-库水动力相互作用和坝缝非线性接触的基础上,着重研究了混凝土应变率相关效应及加载历史对混凝土极限强度等重要参数及拱坝响应的影响,并与采用不考虑应变率影响的混凝土损伤模型计算结果进行了对比分析。结果表明,拱坝考虑横缝作用后的坝面应变率分布不同于整体拱坝。应变率分布形态不仅可以很好地表征拱坝的振动形态,而且对于高拱坝的动力响应的影响也不可忽略。

考虑岩体节理分布特性的各向异性强度准则研究

针对岩体节理分布的特性,以Mohr-Coulomb和Rankine准则为基础,引入结构面网络模拟计算所得的岩体连通率和强度参数,研究岩体在各向异性强度准则下的理论方法。在此基础上,对岩体各向异性强度准则及其数值实现方法进行研究,并编制相应的计算程序对坝体–岩基系统的深层滑动面进行动力分析。分析结果表明,岩体在各向异性强度准则下的破坏面不一定与最大剪应力面重合;综合考虑Mohr-Coulomb和Rankine准则可改进Mohr-Coulomb准则对岩体抗拉强度过高估计的缺点,更符合工程实际;所建立的各向异性强度准则能真实地模拟各向抗力与响应的相互关系所反映的节理裂隙岩体的破坏特征。

未知输入下的复合反演研究

回顾了近年来未知输入情况下的结构参数识别算法,并针对未知输入情况下的复合反演算法做了深入研究,总结归纳了这类算法的特点和应用条件,并在此基础上提出了能够用于具有多个未知输入组合下的复合反演算法。此方法是基于最小二乘原则并结合统计平均思想的一类迭代算法,对于在多个未知输入情况下的结构(例如在地震动和风荷载共同作用下等),可以用来识别结构参数并同时反演多个未知输入。与仅适用于具有一个未知输入情况下的复合反演算法相比,本文方法具有更广泛的应用背景,最后以一个4层剪切型结构为例来验证本文方法。有噪声情况下和无噪声情况下的识别结果显示本文方法具有一定适用性。

水下悬浮隧道锚索的动力分析

将悬浮隧道的锚索简化为受张力的梁,利用动力学方程和Morison方程,建立了锚索涡激振动方程,计算并讨论了锚索倾角、张力和长度的改变对其最大动剪力和最大动弯矩的影响。计算结果表明:在其他条件不变的情况下,锚索初张力和垂直深度的减小将引起其最大动剪力和最大动弯矩的增加,而锚索倾角的减小将引起其最大动剪力和最大动弯矩的减小;锚索的一阶固有频率与其初张力和倾角成正比例关系,与其垂直深度则成反比例关系。

地下结构对场地和地表建筑地震响应影响分析

地铁车站等地下结构的建设,必然会引起场地土层以及临近建筑物的地震动力响应发生变化.为研究此种影响,以某典型地下车站结构为研究对象,引入了土体的非线性本构模型,同时考虑了结构与土接触面特性和地基无限域的影响.计算结果表明:由于地下结构的存在,地表一定范围内的地震动设计参数被显著放大;临近地表建筑的位移响应、框架柱剪力响应也均被显著放大.建议在地铁等地下工程的规划和设计时考虑工程建设后对地表设计地震动的影响.