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。

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。

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。

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。

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.

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。

考虑结构与加锚岩体联合受力的船闸闸首抗震性能研究

为研究地震作用下结构与加锚岩体的非线性接触对闸首抗震性能的影响,以某双线五级船闸的第一级闸首为例,在ADINA有限元软件中建立库水-结构-锚杆-基岩动力相互作用的整体三维有限元模型,基于约束函数的非线性接触单元模拟了闸首结构中的各类接触问题,采用动力时程分析方法模拟了地震作用下闸首结构的动力响应、锚杆受力的分布规律以及不同接触面的接触状态。结果表明:设计地震作用下闸首各边墩均向航槽侧变形,位移沿高度方向递增;锚杆轴向拉应力的最大值小于其抗拉强度;不同介质间的接触面上部有往复开合的现象,接触面最大张开度沿高度方向递增,地震结束时接触面恢复到震前的紧贴状态;设计地震作用下该船闸闸首的结构变形、结构应力、锚杆受力情况及接触面接触状态均满足规范要求,具有良好的抗震性能。

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。

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。

深圳北坑水库取水塔交通桥地震动力响应规律及抗震安全性研究

取水塔交通桥是水库进水建筑物的组成部分,其抗震性能对保证水库震后安全运行具有重要意义。以深圳北坑水库取水塔交通桥为研究对象,采用有限元动力分析方法开展结构地震响应分析,并对交通桥的抗震安全性进行评价。研究表明:设计地震作用下,交通桥最大横桥向地震动位移3.15 cm,各跨桥板间在地震过程中的最小距离2.97 cm,地震过程中不会发生落梁破坏,也不会发生相邻跨桥面板碰撞现象;交通桥对地震产生明显放大作用,设计地震条件下,桥面板横桥向地震加速度放大倍数最大值4.01,顺桥向加速度放大倍数最大值3.36;设计地震过程中,各桥墩排架墩柱动剪应力水平不高,不会发生墩柱剪断破坏,但桥墩柱底部外侧竖直向动拉应力值较大,桥墩排架下部横梁在顶面和底面都出现较高的动拉应力,需要配置抗震钢筋来保证桥墩排架结构的抗震安全性。

基于粘弹性边界在重力坝动力分析中的应用

在重力坝动力分析中,选择合适的人工边界条件可以比较精准地模拟波在模型地基边界位置的传播特点,提高数值分析结果的精度。以西藏藏木重力坝为案例,采用有限元方法,对不同条件下重力坝的动力响应规律进行对比分析。分别从不同边界条件及不同输入地震动两个方面分析比较,结果表明:同传统的固定边界相比,粘弹性边界条件能够准确地模拟重力坝在地震动力作用下的响应。

SV波斜入射下混凝土重力坝易损性分析

易损性分析是评估不同强度地震作用下混凝土重力坝各级破坏概率的有效方法。目前重力坝易损性分析通常假定地震波为垂直入射,然而在近断层区域,地震波往往是倾斜入射的,地震波斜入射对重力坝地震响应有显著影响。从太平洋地震工程研究中心数据库选取16条地震动记录,采用黏弹性人工边界结合等效节点荷载实现SV波斜入射波动输入。采用增量动力分析方法对地震动峰值加速度进行调幅,以印度Koyna混凝土重力坝为研究对象,以坝顶相对位移为抗震性能指标,建立SV波斜入射下重力坝不同震损等级的易损性曲线。结果表明,与垂直入射相比,相同震损等级和相同地震动强度下,斜入射时重力坝破坏概率减小;当PGA接近重力坝实际遭受的地震动强度时,入射角为15°和30°时破坏概率与垂直入射相比最大减小率分别为27.3%和68.2%;各地震强度下,15°和30°斜入射相对于垂直入射的破坏概率差异值最大分别达36.6%、83.9%。因此,混凝土重力坝抗震性能分析应考虑地震波斜入射的影响。研究结果也可为近断层区域混凝土重力坝安全风险评估提供参考。

单跳激励下水工高性能面板时空效应舒适度性态研究

基于国内外舒适度研究现状与评价标准,提出了一种利用Dirac Delta函数来表征水工高性能面板时空分布的舒适度研究方法。通过建立改进单跳激励模型(HJ-CDLEM),求解得到水工高性能面板模型的激励响应机理方程,提出同时考虑时间效应和结构空间效应的水工高性能面板舒适度性态评价指标,并以此开展了舒适度性态评估,揭示了激励作用在该种水工结构中的响应传播特性与空间分布特征。