基于非平稳随机地震动场的拱坝随机地震反应分析方法

本文基于空间非均匀地震动输入和拱坝三维动力有限元法，建立了拱坝在非平稳空间随机地震动场激励下的随机振动分析方法。以一实际拱坝为例，计算了非平稳随机地震动场作用下的拱坝随机地震反应，并与平稳随机地震动场的结果进行了比较。     

基于向量地震动强度指标的拱坝地震易损性分析

将地震动顺河向分量的一、二阶谱加速度以及地震动横河向、顺河向分量的一阶谱加速度分别作为反映地震动强度的向量指标,建立了以拱冠位移、横缝开度和损伤体积比为性能指标的拱坝地震易损性曲面,以预测拱坝在不同强度水平的地震作用下达到各级破损的概率。以白鹤滩拱坝为研究对象,考虑地震动以及材料的不确定性对拱坝进行增量动力分析,将分析结果取对数后进行二元线性回归,得到概率地震需求模型,然后建立了不同性能指标的拱坝地震易损性曲面,并对基于向量地震动强度指标和基于标量地震动强度指标进行拱坝地震易损性分析的效率进行了比较。研究结果表明:基于向量IM的易损性分析能够显著降低拱坝地震需求预测的离散性,同时基于向量IM比标量IM更加高效,采用基于向量IM的地震易损性曲面对拱坝进行易损性分析能更加准确地评估拱坝的抗震性能。     

基于调频率的时-频非平稳地震动生成

动力时程分析是研究地震作用下结构响应的有效途径,而输入的地震动时程对计算结果有重要影响。实际地震动是时-频非平稳的随机过程,而目前用于结构动力时程分析的人工波多为时域非平稳频域平稳的时间时程。本文采用增加频率调制过程的方法对生成人工波的传统三角级数模型进行了改进,可使生成的地震动时程不仅是强度非平稳的,而且频率成分也是随时间变化的。改进方法生成的时-频非平稳地震动时程更接近于真实的地震动记录,且能很好地拟合目标反应谱,对工程实践具有重要意义。     

非平稳地震动时程的渐进谱研究

分别采用窗口滑移、Kameda多重滤波和Nakayama窄带滤波方法得到El Centro NS地震记录的渐进谱,经比较,选择Nakayama方法用于本文的渐进谱研究。分析了有限带宽白噪声、强度非平稳时程与实际地震记录的渐近谱,发现可从渐进谱分布规律的角度解释这些时程的特性差异。在Nakayama方法基础上建立了一个地震动合成模型,指出地震动时程的幅值和频率非平稳应同时与渐进谱和时频非平稳的相位相关。由本文和Kameda模型合成时程与实际地震动记录的渐进谱和相位的对比分析表明,依照本文模型合成时程的渐进谱和相位同时表现为时频非平稳,这与实际地震记录的特性完全相符。     

振型分解反应谱法计算拱坝地震动应力

结合国家“九五”攻关项目－－沙牌碾压混凝土拱坝的研究，利用ANSYS软件动力分析中的谱分析功能，对拱坝进行基于振型分解反应谱方法的抗震计算。     

非平稳地震动的广义演变谱模型及在水工抗震中的应用

在平稳地震动过程的功率谱密度函数基础上,发展了一类时-频全非平稳地震动过程的广义演变谱模型。广义演变谱模型可以全面地反映地震动的时域特性和频域特性,如强度非平稳性、持续时间、地震动峰值加速度以及频率非平稳性、场地特性和反应谱。结合我国现行的水工建筑物抗震设计规范,确立了广义演变谱模型的参数取值。同时,应用非平稳随机过程模拟的谱表示-随机函数方法,建立了4类场地条件下的水工建筑物抗震设计所用地震动的代表性时程。最后,通过代表性时程的二阶统计值与目标值的比较,以及代表性时程的平均反应谱与规范反应谱的拟合误差,验证了广义演变谱模型的合理性和优越性。     

重力坝随机地震动力分析方法研究

本文用随机过程模拟坝基地震动输入及结构动力响应，运用随机振动理论进行二维重力坝结构地震动力分析。提出了二维随机地震动输入实用模型，详细论述了重力坝结构随机地震动力响应的分析方法。     

确定性地震动空间差异对重力坝地震响应影响研究

针对高坝-地基体系地震响应分析对空间差异地震动场的需求,在波动输入模型基础上引入地震波组合效应提出确定非一致地震动场模型。该模型从地震动场形成的物理机制出发,以模拟确定性地震动空间差异为目标构建非一致地震动场。随后以确定非一致地震动场和波动输入对应地震动场为基础,采用重力坝算例研究确定性地震动空间差异对结构地震响应的影响。结果显示,相对于波动输入模型,确定非一致地震动场模型可在内蕴多点多维地震动相关性基础上模拟地震动的时间滞后、复杂幅值变化、时程形状差异等宏观空间差异特征。与波动输入地震动场相比,确定非一致地震动场引起重力坝坝踵主拉应力峰值增加的算例占比66.4%,引起下游折坡主拉应力峰值增加的算例占比76.7%。在主拉应力峰值平均值方面,确定非一致地震动场引起坝踵和下游折坡处的最大增幅分别为25.3%和46.4%。考虑工程安全,高坝-地基体系的非一致地震响应分析须全面考虑确定性地震动空间差异的影响。     

非平稳随机扰动对水质预测的影响

本文建立了一个非平稳随机模型，研究了扰动为非平稳随机过程时，对水质预测的影响，并对模型的统计特性进行了分析，最后给出了一个扰动为白噪声时实例。     

基于黏弹性人工边界的拱坝动力响应分析

无限地基的辐射阻尼是影响拱坝地震反应的一个重要因素,无限边界的处理方法很多,其中黏弹性人工边界具有较高的计算精度和计算效率、较好的稳定性,同时程序容易实现。基于黏弹性人工边界的基本原理,以Ansys为计算平台,采用声学流体单元fluid30模拟库水,在坝基截断边界添加弹簧-阻尼单元以考虑无限地基的辐射阻尼影响;并以锦屏一级高拱坝在El Centro地震波作用下的动力响应分析为例,对不考虑坝基辐射阻尼与采用黏弹性人工边界两种计算方法的计算结果进行比较。结果表明,采用黏弹性人工边界条件后的动力响应(动水压力、位移、主应力)均有所降低,坝顶拱冠处的应力分布更为合理,动力响应时程滞后;验证了该边界条件的吸能效果。该方法计算效率高、稳定性好,克服了透射边界与有限元相结合的方法存在高频失稳问题的缺陷。     

高拱坝结构的随机分析

拱坝结构涉及到许多不确定性因素，把拱坝的主要荷载及材料参数看作随机变量，结合小湾拱坝进行了5000次蒙特卡罗随机有限元模拟，得出影响拱坝效应场的主要随机因素及其敏感性。结果表明，坝体混凝土的弹模及密度对应力场影响很大，故在实际工程中应严把混凝土施工质量关，如果把地基看作连续整体，其弹模对效应场的影响并不是很大。     

高拱坝开裂危险性分析

根据国内外各类混凝土试件的试验结果,总结归纳了各类不同受力状态下,混凝土真实强度的差异,并据此提出了一套简单实用的高拱坝开裂危险性分析方法。该方法可直接利用线弹性有限元或拱梁分载法等多种数值方法的三向应力计算结果,结合应力比和大坝混凝土强度,通过查图算法,直接求解拱坝结构任意一点的点安全度,从而预测拱坝相应部位的开裂危险性。二滩拱坝下游裂缝的算例表明,当考虑大坝混凝土三轴效应后,拱坝-坝肩整体点安全度要小于基于单轴强度模型的大坝点安全度,拱坝下游拉压应力组合导致区域结构强度降低是混凝土产生裂缝的内因,在温度荷载、地质条件等外部因素的联合作用下,最终导致了拱坝的开裂。     

强震作用下高拱坝横缝张开非线性反应的研究

采用接触单元模拟拱坝横缝，对高拱坝在强震作用下横缝张开的非线性反应进行了系统的研究，首先，从横缝的最大张开度，坝体的应力分布及坝体的最大位移等不同角度研究了横缝模拟条数的最佳方案；进而研究了库水位变化对横缝张开度，坝体应力和位移的影响，研究结果表明：为了有效地反映在强震中横缝张开效应对拱坝应力状态的影响，在分析中至少需要模拟3条大体均匀布设的横缝；但是，为了能充分反映横缝的强震过程中张开的实际情况，则至少需要模拟21条横缝，随着库水位的增高，拱坝横缝在强震中的最大张开度逐渐减小。     

底缝对高拱坝地震反应影响的研究

作为减少坝踵部位拉应力的一个工程措施，在拱坝上游底部设置人工底缝已有４０年的历史，然而，强震时底缝对高拱坝抗震性能的地震反应影响的机理和程度，为人们所关注。本文首先通过大型地震模拟振动台的大比尺动力模型试验，比较验证基于显式有限元结合人工透射边界的波动模拟方法与动接触力理论相结合开发的大坝非线性波动分析方法和程序；继而采用经试验验证程序，研究小湾高拱模拟底缝的地震反应。结果表明：底缝影响是局部的，     

地震作用下拱坝--库水耦合振动动水压力分析

拱坝在地震作用下，受库水、基岩以及不均匀变化谷壁等的影响，动态特性十分复杂。尤其大型的高拱坝，振动频率底，径向变位大，库水对坝体振动的影响变得更加重要。本文结合小湾电站２９０米高拱坝，在考虑坝水流固耦合振动影响下，分析和计算了拱坝上游坝面承受的动水压力，并特别对自由表面重力波的影响问题、库底压力 的吸收问题、水体性的影响以及库水域的有效影响范围等进行分析。     

基于 ABAQUS 的高拱坝强震作用下的损伤破坏分析

为预测高拱坝在强烈地震作用下可能的开裂范围,基于有限元软件ABAQUS内嵌的混凝土损伤塑性模型,对国内某拱坝在强烈地震作用下的动力响应进行了数值模拟,得到了地震全过程拱坝拉损伤分布和典型单元的损伤发展时程。分析表明,大坝在经历强震作用后总体损伤不大,但坝体拱冠梁附近中上部及坝体与基岩交界处局部损伤严重,是抗震薄弱部位。研究给出了拱坝的损伤发生、发展过程,为高拱坝抗震安全评价提供了一种分析途径。     

地震作用下的电梯井结构与拱坝坝体的耦联分析

在地震作用下,拱坝的附属结构电梯井与坝体的耦联分析问题已经逐渐受到水工人员的重视与研究。本文以某高拱坝电梯井结构为研究对象,分析了电梯井结构与该拱坝坝体采取不同连接方式在相应的工况下对电梯井结构应力应变影响的规律。结果表明：电梯井结构与坝体在坝顶部位设铰接连接,同时回填到一定高程时,可有效地改善电梯井结构的应力应变状况。     

杨房沟高拱坝防震抗震设计研究

杨房沟混凝土双曲拱坝最大坝高155 m,坝址所处地区地震烈度相对较大,为此,除了按DL5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》的原则、方法和要求进行常规抗震分析外,同时还考虑坝址地形地质条件、计入地基辐射阻尼和横缝张开影响的三维非线性有限元法对大坝及基础进行动力分析,综合分析评价了大坝的抗震性能与抗震安全性。研究结果表明,杨房沟高拱坝在设计地震和校核地震作用下,坝体应力状况较好,坝体横缝最大张开度不会破坏横缝止水设施,满足设计要求。采取的抗震措施能够进一步提高拱坝的整体性和抗震性,杨房沟高拱坝的抗震安全是可以保证的。