基于ANSYS的重力坝坝体-地基-库水流固耦合地震响应分析

随着我国水利事业的不断发展,建立了许多大型挡水建筑物,例如混凝土重力坝等;而我国同时是一个地震高发国家,因此对于混凝土重力坝的抗震设计不可忽视。本文通过ANSYS有限元软件对工程实例以附加质量法、流固耦合法两种方法分别建立坝体-库水-地基相互作用有限元模型,分别进行模态分析以及地震时程分析,结果表明流固耦合法对于抗震设计相较于附加质量法更有利于抗震设计。

重力坝-库水-地基相互作用分析方法比较研究

对5种不同高度的重力坝分别采用流固耦合模型与附加质量模型进行了坝体-库水系统相互作用的时域地震动分析.将这两种模型计算所得动水压力结果与Westergaard公式解析解相比较可知,约70m高的中低重力坝采用Westergaard公式计算动水压力就能满足工程实际的要求;对于160m以上的中高重力坝,采用流固耦合模型计算库水作用及坝体动力响应较为接近现实情况.从坝体频率、位移、峰值加速度(PGA)三个方面的结果可以看出,附加质量模型模拟地震条件下库水对坝体作用较流固耦合模型有一定的夸大,对中高坝而言更为显著.地基对200m级高坝库水作用的影响非常明显,在计算坝体与库水相互作用时地基作用不可忽略;对于70m高的中低坝,地基作用可以不用考虑.

坝体-库水动力相互作用的数值求解格式

针对目前数值格式求解效率的不足,基于广义Newmark-β法,建立了求解坝体和库水流固耦合动力相互作用问题的2种新的数值求解格式:交错迭代法和直接积分整体求解法.导出了有限元求解公式,讨论了2种数值离散格式的特点,并结合实际工程计算比较了2种求解方法的计算效率.结果表明:2种方法均能有效地求解坝体-库水动力相互作用问题;在相同计算条件下,迭代法的计算规模要小,但花费的总机时长;整体求解法的计算效率更具优势.

基于声固耦合法的拱坝-库水-地基相互作用分析

为了研究拱坝库底吸收边界对坝面动水压力分布及坝体动力响应的影响,本文基于声固耦合法结合阻抗边界条件对库水表面重力波、库底吸收边界、坝体-库水交界面和库尾辐射边界进行模拟。建立了大岗山拱坝-库水-地基系统有限元模型,通过计算地震条件下不同库底反射系数的坝面动水压力及坝体动力响应,算例验证了提出模型的准确性。结果表明:库底反射系数越大,动水压力幅值越大,并且越靠近库底这种影响越明显。变库底反射系数和单一库底反射系数条件下的坝面动水压力分布及坝体动力响应相差较大,因此工程中在考虑库底吸收边界时可适当考虑变库底反射系数条件下的坝体动力响应。

坝体—地基—库水体系的动力有限元分析及其应用

基于动力有限元理论建立了坝体-地基-库水体系的数值模型,分析了库水和地基联合作用对结构动力响应的影响,探讨了计算过程中涉及的动力响应输入和地震波处理等相关问题,并以某水电站岸坡坝段为例,比较了坝体-地基-库水模型与传统附加质量-无质量地基模型的地震响应结果。结果表明,与传统附加质量-无质量地基模型相比,坝体-地基-库水模型的位移和应力均有较大的降低,可为设计安全储备提供参考。

考虑动水压力和流固耦合的库水-坝体-地基系统建模与动力分析

结合动水压力模型和罚函数耦合算法,考虑地基和坝体结构的接触以及边界效应,构建动水压力和流固耦合作用下的库水-坝体-地基地震响应分析模型和方法。通过与试验结果及解析解和实测数据对比,验证了本文模型和方法能准确反映系统地震荷载和分析整体耦合系统的动力响应,引入罚函数处理流固耦合界面能提高计算收敛速度。进一步以某重力坝工程实际为背景,验证本文构建的模型和方法适用于库水-坝体-地基耦合系统动力分析的可行性,并分析了地震作用下地基变形对系统动力响应的影响。

考虑可压缩库水作用混凝土拱坝的动力特性和地震反应分析

利用通用有限元软件ANSYS建立3种动力相互作用模型,研究考虑库水的可压缩和不可压缩效应对坝体地震反应的影响,不可压缩性效应采用Westergaard附加质量方法模拟,可压缩性效应通过流固耦合方法模拟,采用时程分析法得出库水对地震反应的影响。从分析结果可知,库水对拱坝的动力性能和抗震性能存在较大影响,不能忽略。

考虑库水可压缩性的高拱坝动力特性分析

结合实际工程给出了考虑库水可压缩性时高拱坝动力特性的数值求解方案。计算结果表明,库水的可压缩性对坝体的自振频率、振型参与系数和振型等动力特性均有较大的影响。考虑库水可压缩性之后,计算坝体动力特性时计算量略有增大,建议采用可压缩库水模型求解高拱坝的动力特性。

辽宁葠窝水库溢流坝段裂缝状态地震反应分析

以裂缝状态下辽宁葠窝水库混凝土重力坝为研究对象,选用混凝土弥散裂缝本构模型,模拟强震下坝体裂缝产生与破损的全过程;利用耦合的拉格朗日-欧拉有限元分析法,描述库水-坝体-基岩动力耦合非线性效应,建立了溢流坝段地震反应分析三维有限元模型。通过对数值模型输入El Centro波,考虑库水水位变化状况,分析了溢流坝段强震响应规律与破坏特征,据此评价溢流坝段的强震安全性。分析表明:由于坝体先期存在的裂缝影响,坝踵区、坝趾区、牛腿区及闸墩与溢流堰交汇区均易发生开裂破坏;先期存在的裂缝与混凝土老化及结构劣化,显著降低了闸墩的整体刚度、消弱了坝体局部强度,增大了溢流坝段的动力反应。

地震情况下地基、库水、拱坝的相互作用

采用边界元（用于地基和库水）与有限元（用于坝体）耦合和子结构法对相互作用的地基、库水、拱坝系统进行了较全面的三维地震动力分析，着重探讨了地基的变形特性（包括刚度变化）。

重力坝动水压力模型试验的数值重构研究

由于试验设备及模型材料的限制,在重力坝动力模型试验中采用在坝体模型上游安置水箱内盛满水的方法模拟重力体-库水系统相互作用的效果存在误差。为此,采用流固耦合模型对重力坝动水压力模型试验进行数值重构分析的方法,研究了用上游水箱中盛满水模拟地震作用下原型库水对坝体动力作用产生误差的原因。研究结果表明,水箱内水体密度及可压缩性是导致试验中坝体-水库系统相互作用效果偏小的两个原因,其水体密度偏小更为主要因素。据此,提出了修正上述误差的三种可行且准确的方法。

流固耦合和地基辐射阻尼对乌东德拱坝地震响应的影响

在对乌东德拱坝进行动力时程分析过程中,考虑了坝体—库水—地基的动力相互作用和地基法向边界面上采用粘-弹性人工边界条件两方面的影响,与常规无质量地基模型的计算结果对比,流固耦合和地基辐射阻尼能使坝体的动力响应值分别降低20%和15%左右,地基辐射阻尼对乌东德拱坝动力响应的影响不显著。

两种动水压力模型重力坝地震动力损伤比较分析

采用基于位移格式的流体单元与弹塑性损伤本构的固体单元分析了坝体—水库耦合系统在强震下库水对重力坝的动力响应、坝体内部应力分布以及损伤的影响。对流固耦合模型与附加质量模型的坝体损伤分析结果进行比较发现,附加质量模型不仅对上游坝面的动水压力有放大作用,而且对坝体的其他动力响应,如位移、加速度,也有不同程度的放大作用。同时,附加质量模型对地震中坝体内部应力及损伤也有一定的放大作用。可见,流固耦合模型分析大坝—水库系统相互作用更接近现实情况。

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。

大坝抗震分析与安全评价

基于大连理工大学近期开展的一些研究工作,对大坝抗震分析和安全评价有关的一些重要问题提出了看法和讨论意见。主要包括坝—库水动力相互作用、坝—地基动力相互作用、大坝抗震分析的精细化数值模型、大坝的超载潜力与抗震安全性评价。

考虑横缝非线性对沙牌拱坝动力响应的影响

强震作用下横缝的开合对拱坝的动力响应有着显著的影响。结合实际工程,依据最新的坝体参数资料,建立了考虑拱坝横缝非线性的有限元模型。用黏弹性人工边界计及地基的辐射阻尼效应,采用有限元混合法模拟横缝的非线性行为。给出了四种工况,从坝体的应力分布、顺河向位移及横缝的张开变化等角度,研究了橫缝非线性对沙牌拱坝动力响应的影响。结果表明:横缝的张开使坝体的拱向应力得到了明显的释放,拱梁之间存在着一定程度的应力重分布;随着库水位的降低,横缝的开度增大的趋势较为明显,但坝体顺河向位移的变化不是很明显。

高土石坝抗震安全评价与抗震措施研究进展

本文总结介绍了高土石坝抗震安全评价与抗震措施的最新进展。主要内容包括,筑坝材料(堆石料、土与结构接触面、防渗混凝土材料)弹塑性本构模型、大坝–地基–库水动力相互作用分析方法、高性能精细化有限元计算软件开发、高土石坝地震破坏全过程模拟、面板堆石坝面板抗震措施等。最后总结了高土石坝安全评价理论与方法的发展方向,包括高土石坝体系地震响应分析方法、筑坝材料力学特性和本构理论、计算技术和分析软件、抗震安全评价方法。