高土石坝-地基动力相互作用的影响研究

我国土石坝建设高度已迈入300 m级,其体积和质量巨大,坝-基交界覆盖区域(建基面)沿顺河向长可超千米,且筑坝材料具有非线性特性,地震时的坝-基动力相互作用问题越发受到工程界的关注,亟待开展系统研究。本文以我国已建和拟建的若干代表性高土石坝工程为背景,采用波动分析方法考虑坝-基动力相互作用,系统地讨论了地基截取范围的影响,并通过与传统振动分析方法对比,研究了坝-基动力相互作用对大坝地震反应的影响。结果表明:高土石坝的地震反应计算采用波动分析方法更符合实际;在考虑坝-基动力相互作用时,建议地基截取范围取坝-基交界面顺河向长度的0.3~0.5倍(面板坝时约1.0H^1.5H,心墙坝时约1.2H^1.8H,H表示坝高);与振动分析方法相比,波动分析方法获得的坝体加速度极值降幅约为10%~40%,动位移极值降幅约为10%~50%,面板动应力极值降幅:拉应力约为20%~40%,压应力约为15%~30%。可见,坝-基动力相互作用的影响是显著的,振动分析方法不能反映地震对大坝作用的实际情况,高估了大坝的地震反应,从而低估大坝的极限抗震能力。

大坝-地基动力相互作用研究中的几个问题

随着水利工程发展的需要,大坝-地基动力相互作用问题越来越受到关注。在查阅大量的文献资料的基础上,提出了目前大坝-地基动力相互作用研究中所面临的几个主要问题,对水利工程、地震工程相关领域的深入研究和工程实践具有重要的指导意义。

结构-地基动力相互作用问题分析的一种直接方法

本文给出结构-地基动力相互作用分析的一种直接有限元方法,可以依托大型结构分析软件完成结构-地基动力相互作用研究工作.该方法不但可以较好地模拟半无限地基的辐射阻尼,也能模拟远场地球介质的弹性恢复性能.文中同时给出了一种结构-地基动力相互作用中地震波动输入方法,可以准确模拟任意角度入射的地震行波的输入.数值算例表明本文给出的方法具有较高的精度.

结构-地基开放系统动力相互作用问题的高效解法

应用黏弹性人工边界将结构-地基开放系统转化为近似的封闭系统,利用等效地震波动输入方法将波动散射问题化为波源问题,再采用振型叠加法对近似封闭系统进行分析,由此建立了一种结构-地基开放系统动力反应问题的高效计算方法。采用高效算法分别计算了二维弹性半空间波源问题和地震作用下结构-地基动力相互作用问题算例,并与采用常规的直接时域逐步积分法给出的计算结果进行了对比,由此讨论了高效算法的特点。与常规直接动力分析方法相比,高效算法可以在确保模拟精度的同时,有效降低计算工作量、节省计算时间,并且结构-地基动力相互作用系统的模型越大、自由度越多,高效算法的优越性就越突出,从而为大型结构-地基系统动力相互作用问题数值分析提供了一种高效而精度足够的解法。

结构-地基相互作用体系动力特性参数的简化计算方法

本文首先介绍了几种计算结构 地基相互作用体系动力特性的简化方法,并用振动台模型试验的数据资料进行计算分析,讨论了各方法的局限性;在此基础上,提出了一种改进的简化计算方法。在该方法中,主要改进是合理考虑了桩基对体系刚度的贡献。

结构-地基动力相互作用时域数值计算模型研究

完全在时域数值分析范畴内,本文对结构-地基动力相互作用系统运动方程进行了深入推导,给出了统一的基本表达形式,简化可获得目前应用的各类主要时域模型。其中,基于结构-地基交界面的位移协调条件及作用力与反作用力平衡方程,推导了动力相互作用分析子结构法模式的时域基本方程。从结构的一般动力平衡方程出发,推导了相互作用直接法模式的基本平衡方程,并基于有限元模型对两类模式间的等价性条件进行了理论验证。

高层建筑结构-地基动力相互作用效果的振动台试验对比研究

本文通过对高层建筑结构 -地基动力相互作用体系和刚性地基上高层建筑结构的振动台模型试验成果的对比分析 ,研究了相互作用对结构动力特性和地震反应的影响。结构 -地基动力相互作用使结构频率减小 ,阻尼增大 ;相互作用体系的振型曲线与刚性地基上结构的振型曲线不同 ,基础处存在平动和转动 ;在地震动作用下考虑相互作用的结构加速度、层间剪力、弯矩以及应变通常比刚性地基上的情况小 ,而位移则比刚性地基上的情况大。

空间结构-地基动力相互作用数值分析时域算法研究

对于大型结构地震响应分析,结构-无限地基耦合系统动力分析的数值实现,往往由于有限元网格过多,以及地基无限域时域计算模型中存在的复杂卷积运算,严重限制了求解规模.为解决此问题,提出了基于阻尼溶剂抽取法的三维结构-地基相互作用分析的分区时域逐步求解模型.并针对三维大规模工程问题的数值求解,在积分算法及矩阵存储格式等方面,结合阻尼溶剂抽取法的特点进行了详细的探讨,以推进动力相互作用时域数值分析的实用化.以三维全空间球形空腔动力变形及大岗山拱坝的地震响应分析为例,针对上述数值实现算法进行了具体验证,并就不同的地基弹模及地震波输入方式对坝体响应的影响进行了探讨.计算结果表明,地基辐射阻尼以及河谷散射效应对结构的动力响应有很大影响,而该模型表现出了良好的精度和计算效率.

软土地基上的土-结构动力相互作用

对于建在软弱地基土上的高层结构,由于土-结构动力相互作用,基础的平移和转动导致结构整体发生刚体位移,特别是刚体运动中的转动不仅可能增加结构的绝对位移,并且可能加大结构的重力倾覆力矩,使结构的整体稳定性受到影响。以软土地基上的刚性基础及上部结构为研究对象,通过施加与重力倾覆力矩等效的侧向力来考虑重力二阶效应,并推导了考虑土-结构动力相互作用时结构的几何刚度矩阵。数值算例表明,土-结构动力相互作用对结构的位移产生较大的影响,由此所引起的重力二阶效应可能使结构抗倾覆性能偏于不安全。

无限地基-结构动力相互作用分析的分区递归时域算法研究

基于阻尼抽取法,针对结构-无限地基动力相互作用时域分析提出了一种新的分区递归数值求解算法,包括逐步积分形式的地基作用力计算公式及动力相互作用分析中,基于子结构法的具体数值实现过程。该算法隐式地满足了无限介质辐射条件,可方便地确定地基作用力与交界面位置变位的关系,消除了无限地基动刚度时域算法中的频率相关性及褶积分,此外,时域子结构方式的求解可以方便地考虑结构部分的非线性力学特征。以实例的形式说明了该方法良好的精度与应用的简便性。

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。

海绵吸收层法在坝-库水瞬态动力相互作用分析中的应用

将海绵层与Sommerfeld人工边界结合起来模拟无穷水库的辐射阻尼效应,并结合有限元法在时域内分析坝—库水动力相互作用。计算了刚性坝面瞬态动水压力及柔性坝—库水动力相互作用的分析,结果说明这种方法在时域内模拟无穷水库动水压力波向上游的辐射阻尼效应是适合的。但需注意海绵层的体积阻力系数不能取得太大。

土-结构动力相互作用振动台试验中模型地基影响因素分析

为了给出土-结构动力相互作用大型振动台试验中模型地基设计的一般原则,结合各国已有的典型试验中模型地基的动力响应实测结果,以加速度峰值放大系数及其傅里叶幅值谱为分析依据,从边界效应、模型地基高度、土体含水量及地震波输入次数4个方面对模型地基的振动性态进行了比较分析。结果表明:土箱刚性、土的自振特性、地基高度、土体含水量及地震波的输入次数是影响模型地基动力特性的主要因素,并提出了相应的控制原则。该结论可为同类试验中模型地基的设计和试验的顺利开展提供有益的参考。

考虑地基-结构-散粒体相互作用时贮仓结构的静、动力研究[Ⅱ]——有限元分析

对贮仓结构的静、动力问题进行了系统的分析计算 :考虑到地基 结构 散粒体间的相互作用 ,引入新的计算模式 ,对不同地基上的贮仓结构模型进行了系统的有限元静、动力分析计算 ,并与作者所完成的试验结果进行了比较。结果表明 。

基于完美匹配层人工边界的坝-基动力相互作用研究

混凝土坝-地基动力相互作用是高混凝土坝地震响应分析及安全评估中一个非常重要的方面。根据完美匹配层(perfectly matched layer,简称PML)理论,对有关完美匹配层人工边界时域下的波动方程及有限元方程进行了推导。通过瞬态动力荷载作用波吸收性能问题验证了PML人工边界模拟远域辐射阻尼的准确性和稳定性。构建基于域缩减法(domain reduction method,简称DRM)与PML人工边界联合的地震动输入模型,验证了基于PML人工边界地震动输入模型的可靠性和有效性。以某混凝土重力坝挡水坝段为例,比较了PML人工边界及动输入模型、传统无质量地基模型以及黏弹性人工边界模型的结果。结果表明:采用PML人工边界后,坝体坝顶点的水平、竖直相对位移动力响应峰值较无质量地基模型分别减小了约40.6%、31.7%,且PML人工边界与黏弹性人工边界的相对峰值位移较为接近,从而为大坝地震动响应分析和合理的地震动输入提供参考。

基于比例边界有限元法的结构-地基动力相互作用时域算法的改进

本文基于比例边界有限元法(Scaled Boundary Finite Element Method)的缩减基函数解法,对结构-无限地基动力相互作用的时域算法进行了改进。通过选择适当的基函数数目,缩减结构-地基接触面上的自由度,以减小卷积积分所带来的计算工作量,推导了缩减自由度后运动方程的表达式。通过重力坝和拱坝加速度频响曲线的算例,对比了不同程度缩减的基函数和全部基函数对计算精度和效率的影响。结果表明,基函数的缩减可使计算效率明显提高,但精度损失不大。当采用60%的基函数时,计算效率提高5倍,而峰值频响曲线的精度损失却不超过4%。因此,该算法比较适合于大型结构-地基动力相互作用问题的时域分析。

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。

土-结构动力相互作用几个实际应用问题

对土－结构动力相互作用的效应和分析方法作了简要的回顾，对上－结构动力相互作 用几个实际应用问题进行了分析讨论。

基于动力BNWF法的冻土-桩相互作用模型研究

基于水平循环荷载作用下不同负温冻土环境中单桩动力特性模型试验结果,在已有分析桩-土-结构相互作用的动力BNWF模型的基础上,提出改进的冻土-桩基动力相互作用非线性反应分析模型。在该模型中,利用改进的双向无拉力多段屈服弹簧考虑桩侧冻土的水平非线性力学特性,同时兼顾桩侧与冻土间的竖向非线性摩擦效应、桩尖土的挤压与分离作用以及远场土体阻尼对桩基动力特性的影响。其中桩侧水平多段屈服弹簧参数根据冻土非线性p-y关系获得,该关系曲线以三次函数曲线段及常值函数段共同模拟,并由室内冻土压缩试验结果确定。最后基于改进的动力BNWF模型,提取动位移荷载作用下该桩顶力-位移滞回曲线及桩身不同埋深处的弯矩动响应数值分析结果,并与相应的模型试验结果对比,二者具有较好的拟合度,表明本文所提出的改进模型在分析冻土-桩动力相互作用时有较好的适用性。

基于土与结构相互作用的铰桩-人工土复合地基结构减震的振动台试验研究

设计了一种新型的铰桩-人工土复合地基,并分别对刚性地基-框架结构体系模型及铰桩-人工土复合地基-框架结构体系模型进行了小型振动台试验研究。在铰桩-人工土地基-框架结构体系的模型试验中,采用了木屑土以及层状剪切土箱模拟实际场地的人工土,用两端带铰的桩模拟产生端塑性铰的桩,并在振动台上输入ElCentro波。试验结果表明,其地震反应较之刚性地基-框架结构体系有很大变化。在铰桩-人工土复合地基上,框架结构各层加速度、层间剪力明显减小,自振周期增大,特别是阻尼有很大的提高,说明此复合地基有明显的减震效果。