基于耐震时程法的高拱坝地震易损性分析

基于耐震时程分析方法(ETA),建立了三维坝体-库水-地基动力相互作用模型,进行高拱坝抗震性能评价。以基于目标反应谱合成的10条耐震加速度时程曲线为地震输入,选取坝体损伤体积比、坝顶坝踵顺河向相对位移和拱冠梁横缝开度作为结构性能指标,通过对结构不同性能水准的定义,建立了极限状态与结构性能指标之间的关系,以此为基础绘制易损性曲线。结果表明:随着耐震时程输入时间的增加,拱坝的各项响应值随之增大,不同响应指标对地震强度的敏感性不同,且ETA法与增量动力分析法(IDA)得到的响应结果基本一致,在同一性能水平下采用不同评价指标时对应的超越概率也不相同。因此,在进行结构的抗震性能评价时应综合考虑不同结构响应指标,选取不同性能下超越概率最大的结构响应指标进行分析。

地震波斜入射作用下重力坝地震响应分析

为了研究地震波斜入射作用下重力坝的地震响应,本文基于黏弹性边界及相应的地震动输入方法,分别推导了P波和SV波倾斜入射时的等效地震力,构建了考虑地震波斜入射的黏弹性静-动力统一型人工边界.以黄登混凝土坝为研究对象,研究了P波和SV波在不同斜入射角度下混凝土坝的地震响应,重点分析了重力坝在地震作用下的水平、竖直相对位移与主应力.研究结果表明:混凝土重力坝的地震响应中在斜入射情况下P波与SV波有明显的差异,考虑地震波的斜入射很有必要;P波斜入射时,随着入射角度的增加,坝体关键点的水平、竖直相对位移与主应力值逐渐增加(60°时达到最大);SV波斜入射时随着角度的增加关键点相对位移与坝体主应力变化不大,但整体来看入射角度为0°时(即垂直入射)与其他入射角度相比无论是竖直、水平相对位移或坝体关键点主应力均为最大.

基于比例边界有限元法计算应力强度因子的不确定量化分析

应力强度因子是预测荷载作用下结构中裂纹产生和扩展的重要参数。半解析的比例边界有限元法结合了有限元和边界元法的优势,在裂纹尖端或存在奇异应力的区域不需要局部网格细化,可以直接提取应力强度因子。在比例边界有限元法计算应力强度因子的框架下,引入随机参数进行蒙特卡罗模拟(Monte Carlo simulation, MCS),并提出一种新颖的基于MCS的不确定量化分析。与直接的MCS不同,采用奇异值分解构造低阶的子空间,降低系统的自由度,并使用径向基函数对子空间进行近似,通过子空间的线性组合获得新的结构响应,实现基于MCS的快速不确定量化分析。考虑不同荷载状况下,结构形状参数和材料属性参数对应力强度因子的影响,使用改进的MCS计算应力强度因子的统计特征,量化不确定参数对结构的影响。最后通过若干算例验证了该算法的准确性和有效性。

日本海沟S-net台网水平向海域板缘地震动模型研究

地震动反应谱预测模型是概率地震危险性分析的基础,该文基于日本海沟大型海底台网S-net的海域俯冲带板缘地震动数据库,建立了俯冲带地区的水平向海域板缘地震动预测模型,分析了板缘地震的海陆地震动模型差异。在地震动模型中考虑了与场地信息有关的台站水深和沉积层厚度。由于海底台站的埋设方式不同,在模型中将台站按埋设和未埋设进行区分,通过回归分析和参数平滑建立了考虑震源类型、矩震级、震源深度、断层距、水深、沉积层厚度和埋设方式的水平向海域板缘地震动预测模型。通过对事件内残差进行分离,给出了研究区域的海底板缘模型单台标准差,可用于特定场点的概率地震危险性分析。该文的水平向海域板缘地震动模型可为考虑震源类型的海域区划和海域概率地震危险性分析提供参考。

基于ABAQUS的SBFEM及在混凝土坝非线性地震响应分析中的应用

通过用户子程序接口,将比例边界有限元法嵌入到商用程序ABAQUS中.采用蒙皮单元技术完成了接触界面属性定义,将比例边界有限元法与ABAQUS中的接触非线性模型相结合.通过耦合比例边界有限元法-经典有限元法,采用黏弹性边界建立了考虑横缝接触非线性的坝体-库水-地基动力相互作用模型.将接触非线性混凝土坝模型应用到NG5拱坝中,计算结果均与ABAQUS自带单元的结果吻合良好,并具有较高的计算效率,从而为工程结构动力分析提供了一种新手段.

场地相关的非平稳相干函数及其工程应用

依据蒙特卡洛方法和连续小波变换得到非平稳相干函数,采用四阶傅里叶级数拟合非平稳相干函数,分析场地条件和站点间距对参数的影响,验证模型有效性,并合成多点地震动。以一输电塔线体系为研究对象,对比分析了一致与非一致地震激励作用下输电塔最大层间位移角,研究结果表明:①建立的傅里叶非平稳相干函数模型,能够较好地模拟相干函数非平稳特性及场地变化,且拟合精度较高;②场地条件影响傅里叶非平稳相干函数模型的五个参数,站点间距影响傅里叶非平稳相干函数模型的三个参数,应考虑场地条件和站点间距的影响;③与一致地震激励作用输电塔最大层间位移角超出限值的极限峰值加速度相比,非一致地震激励作用下的极限峰值加速度较小,表明输电塔较早发生破坏,输电塔线体系地震响应分析应考虑非一致地震激励的影响。

主余震作用下典型六层RC框架结构易损性分析

为研究RC框架结构在主余震作用下的易损性,以一典型六层RC框架结构为例,基于增量动力分析法和易损性分析,进行不同主余震作用下RC框架结构不同性能状态下超越概率的对比分析。选取10条满足场地条件的地震记录作为输入,分别以反应谱加速度为强度指标(IM)、最大层间位移角为损伤指标(DM),对IDA曲线簇进行分位分析。依据地震强度指标建立概率地震需求模型,并根据已定义的结构性能水准对框架结构进行易损性分析。结果表明:双向地震和主余震作用相对于单向主震作用都会增加结构的易损性指数;结构在遭遇地震强度Sa(T1,5%)=0.5g时,余震造成易损性指数的上限值、平均值和下限值分别增幅6.3%、8.5%、11.5%;双向地震相对于单向地震造成易损性指数的上限值、平均值和下限值分别增幅15.5%、20.1%、32.5%。

SV波斜入射下Nam Ngum 5拱坝-库水-地基系统的地震响应分析

基于黏弹性人工边界与相应地震动输入方法,推导了任意角度下三维SV波斜入射时的等效节点荷载,构建了考虑地震波斜入射的三维黏弹性静-动力统一人工边界,探究了三维情况下混凝土拱坝在地震波斜入射时的地震动响应,应用于Nam Ngum 5重力拱坝-库水-地基系统的地震响应分析中。研究结果表明:当SV波斜入射角度逐渐增大时,坝体关键点的顺河向位移、主应力以及动水压力峰值均呈现逐渐增大的趋势,横河向位移呈现逐渐减小的趋势;其中25°与0°入射相比,坝顶点顺河向位移从0增加至0.15 m,横河向位移影响较小仅减小0.011 m;坝踵点、坝趾点主应力与斜入射角度存在明显差异,当入射角度为25°时,主拉应力与主压应力峰值相较于垂直入射分别增加了1.41 MPa与3 MPa;坝踵处动水压力峰值也在入射角度为25°时达到最大为0.33 MPa与-0.29 MPa;需要在类似实际工程设计中应考虑地震波斜入射的影响。

基于ABAQUS的粘弹性边界单元及在重力坝抗震分析中的应用

考虑了2种不同的地震输入模型,即无质量地基模型和考虑辐射阻尼的粘弹性边界模型。以大型非线性有限元程序ABAQUS为平台,采用FORTRAN语言开发了用户单元子程序VSB_UEL.for,将粘弹性边界有效地嵌入到ABAQUS中。在尽量避免求解自由场的前提下,将离散的地震荷载转化为等效结点荷载,编写的计算程序可以方便地将等效荷载施加到人工边界结点上,并通过数值算例验证了粘弹性边界单元及波动输入程序的正确性,其求解效率和计算精度均令人满意,最后将该程序应用到在建的某水电站厂房坝段的抗震分析中。结果表明,与传统的固定边界无质量地基相比,考虑了粘弹性人工边界后,坝体的动力响应峰值减小了20%~40%;在进行结构动力响应分析时,考虑无限域地基的辐射阻尼影响是很有必要的。文中的用户子程序及波动输入程序很容易扩展至三维,为同类工程的抗震分析提供了简洁、合理的计算模式。

地震波时域数值优化研究及应用

将最小二乘拟合法与单自由度地震动力反应递归法相结合来解决地震观测和人工模拟地震波过程中速度、位移的基线漂移问题。首先以3次多项式来拟合加速度的均值线(一次优化);再对一次优化后的积分速度、位移时程仍存在的长周期基线波动问题,运用单自由度地震动力反应递归法进行二次优化。文中通过3个数值算例体现出优化算法的优越性,并将优化后的地震波加速度时程应用到江坪河水电站溢洪道控制段三维有限元动力计算分析中。结果表明,该算法消除了积分基线漂移影响,具有较好的可行性、数值稳定性和易操作性。

结构-地基动力相互作用的时域模型

结构-地基动力相互作用是结构地震响应分析及安全评估的一个非常重要课题。基于比例边界有限元法,提出了一种新颖的结构-地基动力相互作用的时域模型,即采用比例边界有限元子域模拟近场有限域部分,采用高阶透射边界模拟远场无限域部分。通过采用连分式展开和引入辅助变量,有限域的动力方程采用高阶的静力刚度矩阵和质量矩阵表示。高阶透射边界精确满足无限远处的辐射边界条件,具有全局精确、时间局部和收敛速度快等优点。它是基于改进的连分式法求解无限域动力刚度矩阵而建立的,在时域里表示为一阶常微分方程组。通过联立有限域和无限域的运动方程,建立了结构-地基相互作用的标准动力学方程,采用Newmark法可直接求解。3个算例结果表明,该算法在时域里比黏弹性边界更精确、有效。

龙滩重力坝21坝段及引水道三维结构分析研究

采用三维有限元法,对龙滩碾压混凝土重力坝21坝段坝体及引水道组合结构进行了分析.研究了施工期及运行期4种工况下坝体的应力变形情况,重点了解了引水道沿水流方向8个剖面的环向应力、闸门槽周边正应力及坝内3个廊道周边环向应力,并对计算结果进行了分析评价.最后文中给出了一些建议,为结构的设计、施工提供参考依据.

基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分析

基于性能的抗震设计理念,利用增量动力分析法(IDA)结合所建立的混凝土重力坝模型,根据分位分析结果评估重力坝抗震性能。以Koyna重力坝为例,分别建立以无质量地基法和附加质量法的传统模型和以黏弹性边界法和流固耦合法建立的坝体-地基-库水相互作用抗震分析模型。选取16条地震记录作为输入,选取地面峰值加速度作为地震强度指标、坝顶相对位移作为结构性能指标,以此为基础作IDA曲线。将两种模型分位分析结果进行对比,结果表明:针对不同保证率的地面峰值加速度(PGA),新模型总体安全冗余度高于传统模型10%～20%,以传统方法建立的抗震分析模型的计算结果偏于保守,Koyna大坝的极限抗震能力约为0. 45g,其功能保障水平约为0. 34g; IDA方法也将为今后大坝抗震设计提供一种新的思路。

龙滩水电站左岸拐弯坝段动力结构分析研究

基于线弹性三维有限元法,采用振型分解反应谱法,对龙滩水电站左岸拐弯坝段设小机组进水口方案和取消小机组方案分别进行了动力计算分析,研究了该坝段的位移和应力分布规律。结果表明:两种方案下的位移变化规律一致,总位移最大值出现在坝顶的同一位置;坝体主要截面的坝踵处出现了较大的拉应力,坝趾处也出现了不常规的应力集中现象,但拉应力区域都很小;各截面的最大压应力都在混凝土抗压强度之内;该坝段满足抗震要求。

基于SBFE和改进连分式的有限域动力分析

基于比例边界有限元理论框架,通过采用连分式展开和引入辅助变量,将有限域的动力刚度矩阵和质量矩阵采用高阶的矩阵表示.采用改进的连分式法求解比例边界有限元方程中的动力刚度矩阵.通过增加连分式展开的阶数,该求解方法能包含动力分析的主要频率范围.针对结构自由度较多的系统当连分式阶数逐渐增大时,原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题,提出采用改进的连分式算法能有效地提高数值计算稳定性.通过对一正八边形的自由振动分析及矩形平面的时域分析,算例结果表明改进算法的鲁棒性更强,适合大规模系统的动力分析.

高混凝土重力坝整体抗震性能研究

建立了考虑实际地形、地质条件影响的整体重力坝有限元模型,分别以规范反应谱、场地反应谱为目标谱合成了设计地震、校核地震下共4条人工地震波,然后对该整体重力坝模型在4种工况下进行了时程动力分析,并对坝体关键部位的主应力按极限状态公式进行了强度验算,结果表明:在该设计、校核地震作用下,高混凝土重力坝整体抗震性能比单个坝段要强,坝踵垫层混凝土和上、下游折坡处材料抗拉强度均满足要求;坝趾的抗压强度也满足要求,并且具有较大的安全裕度;场地谱人工波的计算结果与规范谱人工波的结果很接近.

亭子口水电站上闸首应力变形与抗滑稳定静动力分析研究

亭子口水电站上闸首坝基地质条件复杂,已查明至少含有6层控制性软岩层,其强度较低、分布面积较大,构成了上闸首可能发生深层滑动的地质背景。分别采用三维线弹性、平面非线性有限元法研究了上闸首的应力变形及抗滑稳定性。采用不同的屈服准则,分别运用应力代数和法和强度折减法计算建基面及各软岩层的抗滑稳定安全系数。结果表明,上闸首在静动力作用下其应力变形值均在合理的范围内,其深层抗滑稳定性是有保证的;采用强度折减法计算时,相同工况下采用DP1模型计算的强度折减系数比采用DP4模型的要大16%左右,但塑性区的发展过程相差不大。

库水压缩性及分缝布置对拱坝非线性地震响应的影响

构建了一种较为综合全面的高拱坝-库水-地基动力相互作用模型,该模型通过采用声学单元模拟库水,以考虑库水与坝体及地基的耦合;采用动接触-联结混合模型中能够实现接触面间法向光滑过渡的指数型动接触力模型模拟横缝接触非线性;在混凝土受拉(压)本构模型中引入动力放大系数实现混凝土损伤塑性模型的率型化.对锦屏Ⅰ级高拱坝-库水-地基系统模型进行了地震响应分析.结果表明:在横缝模型中考虑库水的压缩性,会使坝踵处动水压力峰值减少32.20%,对拉应力影响较大,使横缝开度最值减少且可能出现在左、右岸坝肩区域内;考虑库水可压性时,不设横缝模型的坝踵及左岸坝肩处出现了受拉损伤因子大于0.7的集中区域,对比而言设置横缝模型的坝体损伤程度有明显改善,表明横缝的存在使得拱向应力向梁向应力转化,改善了坝肩的受力状况.

基于比例边界有限元法的高阶透射边界应用

基于比例边界有限元法和连分式展开推导了无限域弹性动力分析的求解方程,实现了一种局部的高阶透射边界.采用改进的连分式法求解无限域的动力刚度矩阵,克服了原连分式算法可能会造成矩阵运算病态的问题.该局部高阶透射边界在时域里表示为一阶常微分方程组,其稳定性取决于其系数矩阵的广义特征值问题.如果出现虚假模态,采用移谱法来校正系数矩阵以消除虚假模态.通过两个算例验证了该高阶透射边界的精确性、鲁棒性.

龙滩水电站左岸拐弯坝段静力计算分析

基于线弹性三维有限元法,对龙滩水电站左岸拐弯坝段设小机组进水口方案和取消小机组2种结构设计方案,分别采用了计入上游基岩承受库水及淤沙作用和不计入时2种计算方案,进行了静力计算分析,研究了该坝段的位移和应力分布规律.结果表明:拐弯坝段对侧向推力很敏感,增设小机组对该坝段结构影响不大.此结论可供同类工程设计、施工时参考.