基岩中入射波三维时域反演及自由场构建

基岩入射波一维和二维时域反演不能反映入射方位角和斜入射角的空间任意性,导致构建的自由场可能与实际偏离较远,因此有必要开展基岩入射波三维时域反演研究。基于波函数组合法,利用基岩中P波、SV波和SH波的入射波时程表达地表控制点自由场,建立基于设计地震动的基岩入射波三维时域反演方法,并进一步构建了多波组合斜入射下的空间非一致自由场,分析了基于一维和二维反演方法构建的自由场偏差,揭示了不同反演和自由场构建方法对于沥青混凝土心墙土石坝地震响应的影响机制。结果表明:基于地震动三维反演方法构建的自由场具有空间非一致性,能够更全面地反映场地的地震动场情况。当入射方位角在0°~60°、斜入射角在40°~90°范围内,与三维反演方法相比,一维反演方法构建的特征点x向自由场偏差较大,位移峰值最大偏差为55.8%;当入射方向与某个水平坐标轴平行时,二维反演方法构建的特征点另一个水平向自由场偏差较大,位移峰值最大偏差为100%。介质泊松比增大,一维反演下x向自由场偏差减小,二维反演下x向自由场偏差增大,特征点位移峰值最大偏差分别为46%和36%。与基于地震动三维反演方法获得的心墙拉应力最大值相比,二维和一维反演下拉应力最大值分别减小了83.3%和20.0%。

水下振动台竖向动水附加质量特征与机理试验研究

工程结构与水体耦合抗震研究需求越来越大,推动了水下振动台的建设与发展,水下振动台竖向动水附加质量及特征直接影响其设计和自身性能。本文通过试验方法,共设计135个工况,台面负载20 t惯性质量块,分别考虑不同激励量级、不同频率、不同水深,研究水下振动台竖向动水附加质量特征,并试探从机理层面进行解释。试验结果表明:激励量级与动水附加质量之间相关性较为复杂,不同频率之间存在分组现象,水深比(水深/台面直径)可作为水下振动台设计重要参数,不同水下振动台动水附加质量最小值频率拐点不同。试验研究为水下振动台设计以及模型试验可靠性等提供参考。

柱体流激振动能量俘获理论与技术研究若干进展

潮流能分布广泛,且储量巨大,具备巨大的规模化开发利用价值.流激振动是一种常见的流固耦合现象,通过柱体流激振动能够在流速较低时实现有效的能量转换,基于柱体流激振动的能量俘获技术在未来具备广阔的工程应用前景.近年来,针对柱体结构流激振动特性和能量俘获性能,出现了大量的实验和数值仿真研究工作.文章全面阐述了多种截面形式的单个柱体、柱群结构流激振动能量俘获理论与技术方面的研究进展:对于单个圆柱流激振动能量俘获,目前已基本揭示了被动湍流控制器参数、系统阻尼、雷诺数和边界条件等因素对能量俘获性能的影响规律,基本完成了理论和技术积累;对于非圆截面柱体流激振动能量俘获,已初步明确特定来流攻角、系统质量比、系统阻尼、系统刚度和雷诺数条件下三角形、四边形、多边形与异形等多种截面形式柱体的流激振动作用机理和能量俘获能力;对于柱群的流激振动能量俘获,各柱体振子之间存在流场干涉,需要合理设计柱体排布形式、柱体间距和系统阻尼等参数,实现流体能量俘获最大化.通过综述国内外流激振动能量俘获理论和技术方面的研究进展,对今后该问题的研究进行了力所能及的展望,期望促进流激振动能量俘获理论的发展和流激振动能量转换装置的工程应用.

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.

管桥支承环结构型式有限元优化设计研究

某工程倒虹吸河床段为管桥,长212.4m,跨度20m,钢管内径3.5m。钢管自身承重,明管采用支承环结构将管道荷载传递至下部墩柱。为了确保支承环的应力满足规范要求、受力分布均匀以及管桥上、下部结构布置合理,运用有限元分析方法建立管桥整体模型,对支承环体型进行优化设计。通过对支承环厚度敏感性及局部调整体型的计算分析,明确控制工况下的应力分布规律。最终确定较优的支承环体型,为管桥的合理设计提供依据。

考虑混凝土强度随机不均匀分布的重力坝动力损伤研究

重力坝所采用的大体积混凝土受到其固有特性、浇筑时的施工质量等影响容易导致强度的不均匀性。在目前的混凝土坝抗震分析中,一般将混凝土看成是一种强度分布均匀的材料,对于强度的不均匀性对大坝动力损伤的影响研究不多。基于混凝土塑性损伤理论及Weibull概率分布模型,采用Python语言对ABAQUS进行二次开发。在考虑混凝土塑性损伤的前提下,研究了混凝土强度随机不均匀分布对重力坝坝体和基岩损伤的影响。在计算中综合考虑了坝体和基岩的动力损伤、大坝与库水相互作用、无限地基辐射阻尼等,对比分析了坝体和基岩整体在各个不均匀度下震后损伤区域分布、坝体损伤面积比和损伤耗散能等动力响应,揭示了混凝土强度不均匀程度对大坝及基岩地震损伤的影响规律,研究结果可为重力坝相关的设计和施工提供参考。

翁结水库碾压混凝土重力坝动力特性及其抗滑稳定分析

重力坝是水利工程中最常用的主要水工建筑物之一,混凝土重力坝在地震作用下的动力稳定是坝工设计中的重要问题.本文以翁结碾压混凝土重力坝为对象,取位于河谷中的7、8号溢流坝段和9号非溢流坝段,建立三维有限元模型,通过计算分析了碾压混凝土重力坝在不同工况下的应力变形规律及抗滑稳定性.结果表明:静力荷载作用下,坝体位移符合重力坝一般规律,坝踵主拉应力范围较小;动力荷载作用下,位移等响应在坝顶达到最大,符合鞭鞘效应特征,同时坝体残余位移较小,坝体在一些部位出现瞬时拉应力超标现象,坝基塑性区未发生贯通;对7、8号坝段和9号坝段在建基面及碾压层面进行抗滑稳定验算,坝体坝基均满足稳定要求.

某高架大跨梁式渡槽抗震及隔震分析

滇中引水工程场区具有地震频发、设防烈度高的特点,为保证其渡槽设施在地震下的安全性,以滇中引水工程某高架大跨梁式渡槽为研究对象,分析其抗震性能。通过大型通用有限元分析软件ABAQUS建立了考虑流固耦合作用的单跨渡槽模型,依据场区地质条件选取地震动,对盆式橡胶支座、铅芯橡胶支座及摩擦摆支座渡槽进行弹塑性动力时程分析。结果表明,隔震支座渡槽的槽身最大位移平均比盆式橡胶支座渡槽降低25.5%,最大墩底弯矩平均降低24.3%,隔震性能良好。盆式橡胶支座比隔震支座渡槽的损伤严重,槽身与槽墩的损伤部位分别为槽底支座处、槽壁变截面处及墩底。空槽工况下,铅芯橡胶支座渡槽的最大位移比满槽增加10.4%,最大墩底弯矩降低21.4%;摩擦摆支座最大位移及墩底最大弯矩分别降低20.9%及32.2%。铅芯橡胶支座的隔震周期受上部质量影响大,而摩擦摆支座的隔震周期与上部质量无关,因此摩擦摆支座更适用于渡槽结构。

基于SPH-FEM耦合方法的泥石流冲击输电塔基础的动力分析

泥石流是我国西南山区常见的地质灾害。架空输电杆塔在泥石流的冲击下往往发生基础破坏甚至会造成杆塔倒塌。首先采用光滑粒子流体动力学(smoothed particle hydrodynamics,简称SPH)方法和有限元方法(finite element method,简称FEM)相耦合的三维数值方法模拟了泥石流对杆塔基础的冲击作用;在与相关模型试验结果验证的基础上,开展了不同泥石流密度、黏度系数及初始速度条件下对输电塔基础的冲击力作用的参数分析;研究结果表明:随着泥石流初始速度的增加,冲击力峰值会随之增大;前排基础的冲击力峰值均大于后排基础;泥石流冲击过程特性受到泥石流密度和黏度系数影响。与稀性泥石流相比:黏性泥石流冲击基础后,基础下游真空区相对要小;此外,将数值模拟结果与Kwan冲击力公式及铁二院推荐的冲击压力设计公式预测值进行对比分析可以发现:Kwan冲击力公式能较好地预测出基础所受泥石流冲击力的平均趋势,最大预测误差低于30%,铁二院公式预测的稀性和黏性泥石流的冲击压力平均偏低分别约17%和28%。相关研究结果有望为泥石流频发区域输电塔基础的设计和风险评估提供一定的参考依据。

SH波不同入射方位下沥青混凝土心墙土石坝响应特性及安全评价研究

地震波空间斜入射下沥青混凝土心墙和坝体的破坏模式及安全评价的研究存在较大不足。考虑SH波入射方位角的空间任意性,基于波场叠加原理构建了地基边界上的非一致自由场,建立了SH波三维空间斜入射下的波动输入方法;基于试验结果建立了沥青混凝土瞬时抗拉强度随应变速率变化的经验公式,提出了依据瞬时拉应力和瞬时抗拉强度判别单元抗拉破坏的心墙安全评价方法;分析了入射方位角对过渡料与心墙之间的位错、心墙应力的影响规律,开展了坝体单元抗剪破坏评价,明确了不同入射方位下心墙和坝体的抗震薄弱部位。结果表明:地震波振动方向平行于水流向是过渡料位错、心墙拉应力和坝体局部动剪切破坏的最不利激振方位。与振动方向平行于坝轴向相比,振动方向平行于水流向时过渡料水平向脱开和竖直位错分别增大19.25倍和2.19倍,心墙最大拉应力增加1.8倍,上游坝坡单元发生动剪切破坏的深度加深。相对本文提出的心墙抗拉破坏判别方法,传统判别方法会导致心墙的破坏程度被高估。

地震波斜入射下水平成层覆盖层地基波动输入研究

覆盖层具有土体动力非线性和结构成层特征,地震波斜入射下覆盖层地基自由场计算难度增大、人工边界吸能能力受到限制,制约了地震波动输入精度和应用。以水平成层覆盖层为研究对象,引入势函数理论,构建了地震波斜入射下顶层幅值矩阵与任意层幅值矩阵之间的动态传递关系,获得土体时域应变;基于二维应变状态理论,采用等效线性化法反映土体动力非线性,建立了地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基自由场解析计算方法。利用作者发展的非线性黏弹性人工边界单元模拟远域辐射阻尼效应,近场波动分析中边界单元参数随内层土体单元动剪应变变化,边界单元吸能能力达到最优。结合解析自由场转换得到的等效输入荷载,建立了适用于地震波斜入射下非线性水平成层覆盖层地基地震波动输入方法。该方法能够依据深部斜入射波和地表地震动实现覆盖层地基波动输入,依据地表地震动实现波动输入是避免了通过基底地震动正演自由场等过程。研究了弹性水平双层和非线性水平多层覆盖层地基地震响应,结果表明,波动输入计算获得位移和应力均与解析解有较高拟合度,计算精度高,可为水平成层覆盖层地基上土石坝地震响应研究提供基础。

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。

深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝非平稳随机地震动响应分析

由于良好的环境适应能力沥青混凝土心墙坝是我国西南强震区深厚覆盖层场地的优选坝型,然而对于沥青混凝土心墙坝非平稳随机地震作用下的抗震安全评价研究尚有不足。采用改进的Clough-Penzien功率谱结合随机函数,充分考虑地震动频率与强度的非平稳特征,生成了一系列与反应谱拟合的非平稳随机地震动集合,以某深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝为例,对其坝顶水平加速度及竖向永久变形等响应的均值及变化范围等进行了统计分析及分布检验,揭示了覆盖层与坝体响应均值及变异性沿高程变化规律,并通过概率密度演化方法,展示了坝顶水平加速度概率密度沿时间的演化过程,同时对生成的55条非平稳随机地震动进行调幅,结合多条带分析法易损性分析方法开展了深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝非平稳随机地震动易损性分析,给出了以震陷率为破坏等级控制指标的坝体易损性曲线,为深厚覆盖层上沥青混凝土心墙坝的抗震安全评价提供了新的方法和思路。

P波空间斜入射下沥青混凝土面板堆石坝响应特性及面板破坏评价

地震波入射方位和斜入射角度对于沥青混凝土面板堆石坝地震响应结果有着显著影响。本文从地震动传播机制出发,基于波场叠加原理,推导了P波以任意入射方位角和斜入射角空间斜入射下弹性半空间自由场计算公式,建立了P波空间斜入射波动输入模型。以不同应变率下的沥青混凝土单轴动态拉伸试验结果为基础,提出了考虑抗拉强度随应变率实时变化的沥青混凝土面板破坏评价方法。考虑16种不同入射方位角和斜入射角下的P波空间斜入射工况,从面板应力和加速度两方面分析了入射方位角和斜入射角对某实际沥青混凝土面板地震响应特性的影响,并进行了沥青混凝土面板的抗拉破坏评价,分析了静态评价方法与动态评价方法的差异。结果表明:所建立的P波空间斜入射波动输入模型能够准确模拟半空间自由场,波动输入数值解与解析解符合良好;与垂直输入射相比,面板顺水流向、垂直水流向加速度峰值最大分别增加135.9%和92.7%,竖向加速度峰值最大减少68.3%;空间斜输入导致面板动应力增大,主拉应力和主压应力最大分别增加3.6倍和2.7倍,忽略入射方位角和斜入射角可能会严重低估面板的地震响应。传统将静态强度提高30%作为动态强度的面板抗拉破坏判别方法过于严格,本文提出的考虑应变率效应的沥青混凝土面板破坏评价方法较为符合实际。

近断层主余震考虑斜入射下的重力坝响应分析

一次大的地震中一般存在主震和余震,当震源距离地面较近时,近断层主余震序列通常以某一角度斜入射至地基,因此只考虑地震波垂直入射的情况是不适合的,有必要考虑地震波在多个角度下斜入射的情况。选取3条近断层实测主余震序列,推导地震动P波斜入射界面等效节点力公式,并验证其可行性;以Koyna大坝为研究对象,研究了单个主震和主余震序列2种工况下入射角在0°~90°之间时的大坝地震响应,以位移、损伤指数、损伤耗散能3个指标对震后坝体破坏进行了分析,建立了局部损伤指数量化分析损伤程度。研究表明:近断层单个主震和主余震2种工况入射角在15°~75°之间时,大坝地震响应均大于垂直入射情况;在多种性能指标下,主余震序列下的地震响应均大于单个主震。

基于响应曲面模型的圆筒式机墩几何参数优化

水轮发电机组在运行过程中由于水力、机械、电磁等原因不可避免会发生振动,机墩作为水轮发电机组的支承结构,其结构的稳定性至关重要。建立起机墩、蜗壳、尾水管直至地基的整体模型,通过数值模拟可以得到机墩在谐振荷载作用下任意部位的幅值,在此基础上运用统计学方法响应曲面试验方法,以机墩内径、厚度两个参数作为设计变量,结合信息量权数法将机墩在垂向、径向、环向的最大振幅用一个综合目标函数来代替,并以该综合目标函数作为优化目标,由此建立起响应曲面模型,并对机墩模型进行优化。结果表明:优化后的机墩垂直方向的最大振幅减少了17.8%,环向最大振幅减少了4.7%,径向最大振幅减少了1.4%;本工程机墩的内径建议取值范围为1.73D_(1)~1.83D_(1),机墩厚度的建议取值范围为0.50D_(1)~0.63D_(1);响应曲面的优化设计方法可以有效应用于水电站机墩的减振设计中。

显式算法中三维黏弹性人工边界应用及输水隧洞动力响应分析

为确保大型复杂三维有限元模型动力响应分析的稳定性及高效性,结合二维黏弹性边界理论及其在动力显式分析中稳定性的改善方法,提出了一种适用于ABAQUS/Explicit模块的三维黏弹性人工边界方法,并依托某输水隧洞与临近高铁隧道的立交工程,在设有三维黏弹性边界的基础上研究高速列车振动荷载对既有水工隧洞的振动影响特性。结果表明,采用动力显式分析时,稳定性改善后的黏弹性人工边界具有良好的吸能效果,满足远域地基的回弹性能;振动荷载对输水隧洞的动力影响随着作用距离的增大而减小,且各断面的动力响应极值均出现在底板中心。

基于子模型法的地震作用下混凝土重力坝宏细观损伤破坏研究

大型水工混凝土结构易在结构突变部位出现应力集中现象,工程结构的整体失效破坏起源于局部区域的损伤积累和裂缝失稳扩展。为明确混凝土重力坝在地震荷载作用下的力学特性,采用子模型法构建了基于实际工程的重力坝坝踵高应力区的精细化模型。基于坝踵代表体的细观结构模型,研究了地震作用下重力坝局部受力变形特征以及损伤演变过程。研究结果表明:与宏观模型计算结果相比,细观子模型计算结果能够更真实地反映应力场,位移场,裂纹分布以及损伤演变过程。此外,研究发现细观结构内部的损伤发生时间早于宏观结构,表明宏观裂缝源于内部,混凝土结构破坏并非瞬间完成,而是由于其内部微细裂纹的演化形成更大的宏观裂缝导致。研究结果为重力坝宏观和细观尺度的损伤分布形式提供参考和借鉴。