考虑接触问题的多边形有限元重力坝抗震断裂研究

抗震断裂问题是混凝土重力坝的重要研究内容,数值模拟则是针对此类问题的主要研究方法,现有断裂算法存在计算效率较低,大多未考虑接触等问题。为此,构造了高效的平均值坐标插值多边形单元和接触薄层单元,并将二者耦合后用于结构裂缝扩展的数值模拟。该方法将具有奇异特性以及复杂几何区域网格自适应性强的多边形有限元方法与平均值坐标插值方法、局部多边形网格策略结合起来模拟裂缝扩展;通过等参子三角形方法进行数值积分,求解刚度矩阵;基于最大周向应力准则,采用混合断裂强度因子作为起裂判据;针对裂缝面间的接触问题,引入张剪状态下的黏聚力模型以及压剪状态下的光滑接触模型。基于上述方法,通过Matlab编程的方式开发出一套能模拟裂缝扩展的程序,并通过对含边裂缝的PMMA板试验和含预设裂缝的四点剪切梁试验的模拟,验证了程序的准确性与有效性。最后,以含有预设裂缝的柯伊纳混凝土重力坝为例,对其在是否考虑接触问题下裂纹扩展的情况进行了对比分析,结果表明该程序模拟裂缝真实准确,具有计算速度快、结果文件小等独特优势。

红石岩堰塞坝新堆积体动三轴试验研究

牛栏江上的红石岩堰塞坝新堆积体以石灰岩和白云岩为主,级配和密度离散性较大。同时,已有研究结果表明,红石岩新堆积体具有黏性粗粒土性质,静力参数具有明显的离散性,需开展其岩土料的动力参数研究,以为将其利用改建为水利枢纽提供基础材料数据。采用GDS动三轴仪,对红石岩新堆积体进行了动剪切模量比与阻尼比试验,研究新堆积体动应力应变特性及其影响因素。试验结果表明:随着剪应变的不断增大,新堆积体动剪切模量比不断减小,阻尼比随之增大。新堆积体动力特性受围压影响较为明显,最大动剪切模量随着围压的增大而增大。在相同剪应变条件下,随着围压、干密度、粗颗粒含量的增大,动剪切模量比逐渐增大,阻尼比逐渐减小。另一方面,新堆积体细粒含量较多,颗粒岩性复杂,风化程度差异明显,导致其动力特性具有一定的离散性,与人工筑坝堆石料存在明显差异。

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。

核电工程结构抗震设计研究综述(Ⅰ)

2011年3月日本大地震所造成的福岛第一核电站事故给核电工程结构的抗震设计提出了新的挑战。阐述了核电结构抗震设计的基本原则和防护要求,并以日本、美国、中国等国家核电工程为例,介绍了各国的抗震设防标准、设计工况,对各国核电抗震设计规范标准作了对比分析。同时,以水电工程大坝设计为例,介绍了考虑地震发生概率及大坝易损性的大坝地震风险计算方法,以期应用于核电工程抗震设计中。

核电工程结构抗震设计研究综述(Ⅱ)

就核电站结构抗震设计中一些需要关注的问题提出了看法,主要包括:核岛地基的抗震适应性问题,主要考虑复杂非均质地基上结构-地基动力相互作用问题;讨论了三向地震作用下构件地震响应的组合问题;分析了乏燃料池、反应堆等存在固液耦合情况下的水动力作用,并分一般贮液容器、高架贮液容器、考虑地面转动、考虑竖向地震作用等情况分别作了介绍;研究了厂房子系统的抗震问题,主要是楼层谱受材料特性及地基参数不确定性影响的问题。上述内容可供从事核电站结构抗震的科研、设计人员参考。

大坝抗震分析中地震动输入方式研究

大坝、核电厂结构、桥梁等重要建(构)筑物的地震响应分析均要考虑结构和无限地基的动力相互作用问题。对一般文献中常用的3类地震输入模式的合理性进行了讨论,即等价惯性力地震动输入模型、基础边界地震动输入模型、与上部结构互动的地震动输入模型。研究结果表明,前两个模型忽略的条件较多,应用范围及受到一定的局限,准确性受到一定影响;而后一种模型既考虑了建坝对原自由场地震动的影响,又考虑了坝与无限地基动力相互作用的空间耦合及时间耦合的影响,具有较好的适用性及准确性。

高拱坝抗震安全评价指标研究——以白鹤滩拱坝为例

为研究拱冠梁中上部在地震作用下的局部稳定性,提出合理的局部抗震安全评价指标,本文以白鹤滩拱坝为例,建立三维有限元模型进行数值模拟计算。将拱冠梁中上部作为研究对象,以基于坝段的抗滑安全系数及抗滑安全系数持时作为局部安全评价指标,研究了两个指标随地震动峰值加速度(PGA)的变化规律及其沿坝段高程的分布规律,并基于指标的统计结果明确了拱冠梁中上部薄弱位置。结果表明,随着PGA的增加,拱冠梁中上部抗震安全薄弱面所在的位置是逐步降低的。PGA低于0.8g时,拱冠梁中上部位抗震安全的薄弱面位于0.79~0.83倍坝高位置;PGA大于等于0.8g时,拱冠梁中上部抗震安全的薄弱面位于0.76~0.79倍坝高位置。本文计算结果与高拱坝振动台地震破坏试验结果相近,提出的评价指标应用于拱冠梁中上部的评价效果较好,可为高拱坝中上部抗震薄弱部位的定位及大坝安全监测提供参考。

基于超大型三轴仪的堆石料缩尺效应研究

对某一爆破筑坝堆石料开展了试样直径1m(最大粒径为200mm)的超大型和试样直径0.3m(最大粒径为60 mm)的常规大型三轴固结排水剪切试验,研究了平行相似级配条件下最大粒径对应力–应变关系、颗粒破碎、特征应力状态、割线模量及邓肯张E-B模型参数的影响。试验结果表明:(1)大型三轴试验的峰值内摩擦角大于超大型三轴试验,并且峰值应力处的轴向应变小于超大型三轴试验;(2)大型三轴试验的相变应力比大于超大型三轴试验,并且相变处的体变及轴向应变均小于超大型三轴试验;(3)大型三轴试验的颗粒破碎率小于超大型三轴试验,但二者平行粒组的变化规律相同;(4)大型三轴试验在应力水平50%处的割线弹性模量及割线体积模量均大于超大型三轴试验。大型三轴试验的邓肯张E-B模型参数k,kb分别是超大型三轴试验的1.22倍、1.38倍。研究成果可为建立考虑缩尺效应的堆石料本构模型和分析土工构筑物变形提供重要的试验依据。

基于热力学定律的混凝土本构模型研究

由热力学定律出发,介绍了耗散函数的形式,给出了建立混凝土本构模型的方法和过程,并对参数的确定进行了讨论,得到了基于热力学原理的混凝土多轴本构关系和真实应力空间中的屈服准则、破坏准则及塑性流动法则。由此方法建立本构模型,引入假定较少,避免了假设"塑性势函数"的做法,得到的结果自动符合热力学原理,具有一定的普遍性。算例表明,该模型计算结果与试验结果符合较好。

随机凹凸型骨料在混凝土细观数值模型中配置算法研究

混凝土细观结构随机骨料数值模型的建立及其损伤破坏力学分析,可为混凝土宏观强度分析研究提供依据.适于满足各类指定的骨料级配曲线,针对任意形状、大小的骨料颗粒的生成与投放过程提出了一种改进算法,突破了传统凸形骨料的投放限制,使细观数值模型更接近于混凝土试件断面的实际.具体实现过程中,基于计算机图形学多边形重叠判断及区域填充算法,来消除预投放骨料间的交叠现象.此外,利用粒径极值比来控制骨料形状.还提出骨料颗粒投放过程的用户微干预方法,比较传统完全随机法,提高了投放的成功率及效率.算例验证了骨料的实际投放效果.

高土石坝地震加速度分布研究

现行DL5073-2000《水工建筑物抗震设计规范》对土石坝地震动态分布系数的规定仅适合于150 m以下的土石坝,而目前土石坝的设计高度已远远大于150 m.为提出150 m以上土石坝地震动态分布系数建议图,分别采用反应谱法和有限元法,研究高土石坝地震加速度分布特征,提出了250 m级高土石坝地震动态分布系数建议图,对现行的《水工建筑物抗震设计规范》进行了补充.

土–界面–结构体系计算模型研究进展

土与结构的相互作用是水利和土木工程的一个关键共性问题,其分析是揭示工程中结构损伤破坏机理的重要环节。将土–界面–结构作为一个体系进行整体分析是精细研究土–结构相互作用的基础,但在大型工程应用时面临着一系列难题,包括:土–结构接触边界约束,土–结构接触力学特性,以及土–界面–结构体系建模和分析等。本文对这些问题的相关研究进行了综述和总结,并对今后的主要发展方向提出了建议。

边坡场地条件下粘弹性人工边界模型的地震输入模式研究

粘弹性人工边界模型在水利工程与核电站抗震分析领域应用广泛,但当该方法应用于边坡场地条件下的土-结构相互作用分析时,往往会出现地基区域外边界地震输入荷载的不一致等问题,可能导致结构响应发散或位移漂移,对计算结果的合理性产生影响。从动力相互作用原理出发,关注粘弹性人工边界模型的地震动输入机制,构建了基于虚拟的对称子结构体系的地震输入模式。该地震输入模式不但满足了地基区域外边界地震整体荷载一致,而且可有效模拟地基内地震波的传播。最后以边坡场地的动力响应数值分析为例,验证了所提方法的精度与数值稳定性。

大跨径结构多点激励抗震分析的时频域数值转换算法

目的研究波动激励信号与结构响应在时频域数值表达上的转换关系,以清晰时频域分析的数值关系评价.方法针对存在激励波动相位差、幅值衰减条件下的大跨径结构动力响应分析,推导了一种适于求解波动信号在任意频率点对应谱值的三角函数时域求解公式,并据此开展了结构动力响应时频域分析数值转换算法的研究.结果针对任意给定的频率点进行计算,频谱的三角函数时域求解式及解析表达形式,较传统离散傅里叶法仅可求解离散频谱点的谱值更具优势;在进行结构动力时域数值分析时,仅输入频域激励实部或虚部的相应时程,便均可根据结构时域响应的三角函数频谱求解法,由三角系数简便组合获得等价的结构频域响应;算例验证了频谱三角函数时域求解式在大跨度结构地震响应时频域数值分析与信号处理中的优势和适用性.结论频谱的三角函数时域求解方法,克服了传统傅里叶复域方法仅适于离散谱线求解的限制.

水电站进水塔不同抗震验算方法对比分析

为了对西南地震高烈度区的水工建筑物进行抗震验算,分别采用拟静法和振型分解反应谱法对雅砻江官地水电站进水塔结构进行抗震分析。分析了两种方法下地震惯性力和动水压力计算的差异,并分别对进水塔进行了抗滑与抗倾覆稳定性验算。结果表明,两种方法计算得到的安全系数均符合规范要求,两者抗滑稳定系数相差不大,而抗倾覆稳定系数相差较大,用振型分解法计算抗倾覆稳定性更加保守。

一种结构损伤评估的两阶段法研究

结构损伤会引起结构动力特性的改变,这种改变可以用模态参数和结构参数表示。文中将柔度投影法和遗传算法相结合,提出一种基于不完整模态数据的结构损伤定位和定量评估的两阶段法。第一阶段,用柔度投影法进行损伤定位,并进行深入分析。第二阶段,用遗传算法确定损伤程度。文中提出一种用于遗传搜索的新的目标函数形式。最后,用一六跨平面桁架桥模型进行数值模拟,验证文中所提方法的有效性。

不同加载方向条件下堆石料剪胀特性试验研究

剪胀方程描述的是塑性应变增量比例大小的变化规律,是构建弹塑性模型的重要组成部分。然而目前堆石料的剪胀方程大都是根据等围压3s路径得到的,这些剪胀方程是否能反映不同应力路径条件下堆石料的剪胀规律还尚不明了。开展了等围压σ_3、等轴向力σ_1、等平均主应力p、等主应力比K_c共4种应力路径下的堆石料大型三轴试验,研究了应力路径对堆石料剪胀规律的影响。试验表明:不同路径的剪胀比pD和应力比η均呈近似线性关系,但剪胀比与应力比不存在一致的关系,表现出明显的应力路径相关性;在D^p-η空间中,剪胀线随着应力增量方向的变化会发生平移和转动,其斜率α和截距参数M_f均随β(β=tanh(dp/dq))的增大而增大;目前的剪胀理论不能较好地描述剪胀的应力路径相关性,提出了一个考虑应力增量方向影响的修正剪胀方程并对其进行了试验验证。

基于相位差谱的多点激励人工波数值生成算法研究

在三角级数时域合成与快速离散傅里叶变换频域调整算法的基础上,实现基于对数正态分布相位差谱的单点激励人工波的数值生成,着重分析了目标反应谱的迭代拟合技术.结合相关建筑标准中所列地震波,给出了四类场地土的相位差谱统计特征,以利于工程采用.并以描述频谱幅值衰减关系的相干函数与以相位表征的行波效应为条件,实现多点激励地震波的数值生成.同时考虑幅值与相位两因素,保证了多点激励地震波在相邻两近点处的地震位移曲线的一致性合理条件.

重力坝抗震性能的POA-ETA评价方法

本文结合耐震时程法(ETA)和静力弹塑性分析法(POA)各自的优点,提出了能够考虑结构多阶振型、地震随机性影响的POA-ETA法,并以此对混凝土重力坝进行抗震性能分析。通过分别对ETA和POA基本原理进行分析,总结了POA-ETA法的基本原理以及实施的关键步骤。采用ETA法生成不同峰值加速度的ETA时程,并以此作为激励,得到结构的动力响应。通过动力响应结果,得到结构的能力谱曲线,延性比-等效周期比,延性比-等效阻尼比曲线,并以此代入POA法中评价结构的抗震性能。本文采用Koyna混凝土重力坝模型,使用提出的POA-ETA法对坝体结构"中等破坏"、"严重破坏"两种损伤指标所对应的性能点(谱位移)值进行计算,从而对坝体结构抗震性能及抗震指标进行分析。研究表明,采用POA-ETA法可以得出不同损伤程度下的抗震性能,具有一定的适用性。

基于强度折减理论的坝坡破坏标准研究

采用强度折减技术计算糯扎渡心墙堆石坝的安全系数,为强度折减技术进一步应用到高坝工程提供一定的理论依据。分析当前采用的各种土坡稳定破坏标准的优缺点,并提出用综合位移的数值与角度来判断坝坡是否破坏,以糯扎渡工程为例进一步说明此种判据具有一定的合理性。