地震波斜入射下重力坝的动响应分析

为研究地震波斜入射对重力坝动力响应的影响,利用FLAC3D,基于某碾压混凝土重力坝,研究了不同角度仅SV波、仅P波以及SV波和P波同时斜入射下的坝体动力响应。重点分析了坝体顺河向位移、竖直向位移、主应力及抗滑稳定。结果表明,SV波和P波同时斜入射时,坝体的各项动响应随着入射角度增加均朝不利方向发展,顺河向及竖直向位移增幅最大达28.1%、53.4%,第一和第三主应力增幅分别达14.0%和11.2%,说明动力分析时考虑地震波同时斜入射是必要的。     

平面SV波斜入射下重力坝动力响应分析

为了研究地震动斜入射情况对重力坝的影响,在考虑无限地基辐射阻尼效应的前提下,基于隐式有限元结合应力型黏弹性人工边界的方法,通过大型有限元软件ANSYS APDL实现地震波等效荷载的转换,并从无限地基中截取三维地基验证了地震波等效输入的正确性,建立了重力坝-库水-地基-黏弹性人工边界的有限元动力分析模型,重点研究了平面SV波斜入射对重力坝坝体地震反应的影响。结果表明:随着平面SV波斜入射角度的增大,坝体关键部位的竖直向位移呈现出逐渐增加的趋势,顺河向位移呈现出逐渐降低的趋势,其中坝顶竖直向位移最大增加幅度达到52%,最大降低幅度达到34.9%;坝体关键部位的应力对平面SV波入射角度的改变敏感程度不太一致,其中坝踵处第一主应力呈现出逐渐降低的趋势,入射角度为30°时第一主应力最小值达到2.045 27 MPa,坝趾处的第三主应力呈现出逐渐增加的趋势,入射角度为30°时第三主应力最大值达到8.228 54 MPa,在同类工程设计中应重点关注。     

近断层主余震考虑斜入射下的重力坝响应分析

一次大的地震中一般存在主震和余震,当震源距离地面较近时,近断层主余震序列通常以某一角度斜入射至地基,因此只考虑地震波垂直入射的情况是不适合的,有必要考虑地震波在多个角度下斜入射的情况。选取3条近断层实测主余震序列,推导地震动P波斜入射界面等效节点力公式,并验证其可行性;以Koyna大坝为研究对象,研究了单个主震和主余震序列2种工况下入射角在0°~90°之间时的大坝地震响应,以位移、损伤指数、损伤耗散能3个指标对震后坝体破坏进行了分析,建立了局部损伤指数量化分析损伤程度。研究表明：近断层单个主震和主余震2种工况入射角在15°~75°之间时,大坝地震响应均大于垂直入射情况;在多种性能指标下,主余震序列下的地震响应均大于单个主震。     

高土石坝地震动最不利输入方向研究

文中对土石坝进行三维非线性动力反应分析,采用等价线性粘弹性模型,就地震波的形式、地震波入射角度、坝高等因素对动力反应的响应进行了研究.根据不同形式地震波以不同角度入射到坝体,坝体震动最大加速度的强弱变化情况,判断出土石坝地震动的最不利入射角度.结果表明,对于高100,200,300 m的土石坝,(15°,15°)为地震...     

材料非线性对坝体-地基体系地震响应的影响

传统的线弹性模型不能描述混凝土、岩石在遭遇超出其抗拉、抗压强度的外荷载作用时所表现的非线性性能以及应力重分布现象。本文综合考虑动水压力、地基辐射阻尼效应、横缝开合等影响因素,坝体-地基体系分别采用混凝土损伤塑性模型、D-P弹塑性模型,以白鹤滩高拱坝为例研究混凝土、基岩材料非线性对坝体-地基体系非线性地震响应的影响。计算结果表明:在设计地震作用下,计入混凝土材料非线性影响后,由混凝土线弹性模型计算得到的坝基交界面上的局部高应力区消失,该区域局部范围内混凝土出现拉伸损伤,坝体其余部位混凝土未发生损伤;同时考虑坝基岩体材料非线性后,坝基交界面附近地基出现一定范围的塑性区域,对地震波能量起到一定的耗散作用,坝基交界面附近坝体拉伸损伤程度明显减轻。     

鲁地拉重力坝坝基非线性对坝体极限抗震能力的影响研究

本文以鲁地拉水电站重力坝为例,采用线弹性模型和损伤塑性模型研究了重力坝坝基非线性对坝体极限抗震能力的影响,以坝体顶部折坡处的损伤区贯穿为"破坏"依据,计算了坝体"破坏"前所能承受的最大地震荷载。结果表明:地基线弹性模型和非线性模型得到的结果分别为1.6倍设计地震和2.2倍设计地震。对比分析可知,考虑地基非线性影响能够显著降低重力坝坝体折坡处的损伤分布,近而可以更好地模拟坝体结构本身的抗震承载能力。     

高进水塔地震波斜波入射有限元分析

在水工结构抗震动力分析中,反应谱和时程分析都是基于地震波垂直入射来考虑地震荷载的影响,而实际地震波的传播方向往往是斜波入射。斜入射地震波会引起地面运动的非一致变化,从而对结构产生很大的影响。基于波动理论和黏弹性人工边界波动输入方法,采用有限元模拟地震波斜波入射,并比较在45°斜波入射情况下进水塔与基岩接触的上游建基面、塔背回填混凝土与塔身接触位置等关键部位的顺水流向和竖向加速度、位移、应力时程曲线,结果表明,采用黏弹性人工边界等效荷载方法可以实现地震波斜入射的输入,计算结果与理论分析结果一致。     

非一致地震作用下高坝-复杂地基体系动力响应分析

地震波场的构建与输入是高坝抗震分析的关键。本文提出了一种适用于三维成层场地的自由波场时域化求解方法,并在此基础上建立了远置层界面模型以分离上行和下行波场,以解决不规则场地和断层分布等复杂地质条件;进而结合不同波型的连续性特征与振动特性,利用几何推导将单列节点位移推广至整个空间场地,以提高计算效率;并采用改进的波动输入方法将复杂波场转换为地基边界上的等效节点力。本文重点研究了精细化的三维高坝-地基体系在垂直和倾斜入射SV波作用下的动力响应,并与均质地基条件下的结果进行对比。结果表明：非一致地震波作用下坝体结构动力响应的空间差异性显著,坝顶不同位置的位移极值响应可相差至80%;SV波倾斜入射时坝体振动响应远大于垂直入射的情况,位移极值可相差2~3倍,高应力区时段相差较大,且整个体系的拉裂破坏范围更广;复杂地质条件会加剧坝体的损伤情况,且对较大应力区的产生时间与分布情况有显著影响。研究结果证实了综合考虑地震波的非一致特性与场地地质条件的必要性,可为其他大型工程结构抗震响应分析提供参考。     

混凝土坝坝体配筋抗震措施研究

已有研究表明，对混凝土坝抗震采用线弹性分析得到的最大拉应力远大于混凝土的抗 拉强度，在强震作用下，坝体将不可避免地产生开裂。本文以拉压应力损伤因子为内变量，采用混凝土塑性损伤模型，分析了坝体在地震荷载作用下的刚度退化以及在多维应力状态下拉应力引起的损伤破坏。在抗震措施方面，文中研究了塑性损伤模型的配筋模拟，并针对印度Koyna坝的震害情况，根据配筋前的塑性损伤分析，设置了两种不同的配筋方案，据此进行了塑性损伤动力分析，给出了配筋前后坝体的拉应力损伤因子分布及坝顶动位移响应。通过计算比较了配筋前后坝体的拉应力损伤因子分布范围及坝顶动位移响应，结果说明，配筋抗震措施能够明显地减小坝体损伤区的范围，显著限制坝体损伤区的扩展与贯穿，有效地改善了坝体的抗震性能。     

强地震作用下混凝土重力坝响应特性分析

研究了混凝土重力坝在高强度地震作用下的响应特性,分析了在地震峰值加速度不断增加时坝体屈服区域的发展方向。针对两个典型坝段,运用混凝土塑性损伤模型模拟了其结构的非线性特性。考虑了地震情况下动水压力的作用,通过动力有限元时程分析法计算了不同地震条件下两个坝段的动态响应。计算结果表明:当地震加速度较小时,重力坝只在坝踵区域出现小部分屈服,坝体能正常工作。若提高地震烈度,则局部损伤会纵深发展到达灌浆廊道部位,坝体会形成贯穿上下游的屈服区域并逐渐扩大致使结构失去稳定性。经两个坝段计算结果相互比较,得到了混凝土重力坝在强震作用下的非线性破坏形式,较为真实地反映出坝体的响应。     

非一致地震动输入下高面板坝地震反应特性

为研究地震波非一致输入对三维高面板坝动力反应的影响,采用波场分离的思路将人工动力边界处的总波场分解为无局部场地效应影响的自由场和局部场地效应引起的散射场,借助黏弹性边界建立地震波在自由场作用下地震动非一致输入,实现考虑地基辐射阻尼和地震波行波效应的地震动输入。对我国西南地区某高面板坝进行非一致地震动反应分析,研究P波和SV波作用下坝体结构的动力反应规律。结果表明:当P波非一致输入时,随着入射角度的增加,竖向加速度和动位移极值逐渐减小,水平向加速度和动位移极值逐渐增大;SV波非一致输入时,地震动反应规律与P波入射时相反。入射角度对地震波的行波效应以及坝顶加速度反应谱幅值等都有较显著的影响。     

地震输入角度对抽水蓄能高面板堆石坝动反应影响研究

本文采用三维有限元计算方法和沈珠江动本构模型,研究某高烈度区大倾角坝基上高面板堆石坝的动反应特性。首先,讨论了地震波水平输入角度对面板堆石坝动反应的影响,以地震过程中坝顶峰值加速度,坝体最大动位移与最大动应力,面板最大变形值及最大动应力五个指标作为主要评判标准,对比地震波在八个不同水平输入角度下坝体动反应的大小,发现水平输入角度每改变45°,五个指标均随之变化,呈现"W"型变化规律,180°为最不利输入角度,各项指标都处于峰值点。然后,针对处于大倾角坝基上的抽水蓄能高面板坝进行了坝体动反应和坝坡稳定性分析,获得了堆石坝反应加速度随着坝高的增加而增大,以及震后存在残余变形等地震反应特性。最后验证了该工程坝体在地震反应过程中的安全性。研究结果可为高烈度地区倾斜坝基上高面板坝的动反应设计提供参考。     

强余震对主震受损重力坝非线性动态响应的影响

大量震害实例表明,一次大的主震之后往往会引发大量的余震,而强余震将对结构产生额外的损伤累积破坏。本文中利用能考虑混凝土软化特性并可反映实际损伤耗散的混凝土塑性损伤本构模型,采用Lagrangian算法,考虑库水与大坝和地基之间的动态相互作用,并验证了耦合模型的可靠性;同时对单个主震、单个余震以及主余震序列作用下混凝土重力坝的损伤累积破坏效应进行分析,从大坝损伤、位移响应及损伤耗散能等方面探讨了强余震对主震受损大坝非线性动态响应行为的影响。结果表明,强余震对主震受损大坝的抗震性能具有重要的影响,为此需要提高大坝的抗震性能水平,在大坝抗震设计中应给予重视。     

混凝土坝抗震加固中钢筋混凝土的动力本构模型

基于复合材料细观力学和混凝土塑性损伤理论,针对混凝土坝抗震钢筋的分布形式和钢筋混凝土材料的力学特征,提出了钢筋单方向分布情况下钢筋混凝土材料的等效模量、等效强度的简化公式,在此基础上建立了整体式钢筋混凝土动力本构模型,并以Koyna坝为例,根据配筋前坝体的地震塑性损伤分析设置了配筋方案,分别运用整体式和分离式钢筋混凝土动力本构模型对该坝进行配筋计算,并进行了三维非线性地震响应时程分析,得到了两种不同配筋条件下坝体的拉应力损伤因子分布及坝顶动位移响应。结果表明,两种模型计算结果比较接近,配筋抗震措施能够明显地减小坝体损伤区的范围,整体式钢筋混凝土动力本构模型在满足计算精度的前提下可提高计算效率、简化模拟计算。     

当前混凝土高拱坝抗震研究中的几个问题

综述能对坝基、坝身与库水综合分析的简单实用方法,合理的高拱坝抗震安全评价准则,混凝土材料强度的动力特性,坝址河谷地震动的输入模型,抗震工程措施等高拱坝抗震研究中亟待解决的问题和难点.在分析高拱坝抗震研究最新进展的基础上,提出进一步完善用动力分析技术研究坝、水、地基综合系统的地震响应、更新抗震设防理念、建立不均匀地震动模型、加强抗震工程措施的有效性研究等建议.     

Seismic failure modes and seismic safety of Hardfill dam

Based on microscopic damage theory and the finite element method, and using the Weibull distribution to characterize the random distribution of the mechanical properties of materials, the seismic response of a typical Hardfill dam was analyzed through numerical simulation during the earthquakes with intensities of 8 degrees and even greater. The seismic failure modes and failure mechanism of the dam were explored as well. Numerical results show that the Hardfill dam remains at a low stress level and undamaged or slightly damaged during an earthquake with an intensity of 8 degrees. During overload earthquakes, tensile cracks occur at the dam surfaces and extend to inside the dam body, and the upstream dam body experiences more serious damage than the downstream dam body. Therefore, under the seismic conditions, the failure pattern of the Hardfill dam is the tensile fracture of the upstream regions and the dam toe. Compared with traditional gravity dams, Hardfill dams have better seismic performance and greater seismic safety.     

Application of thermodynamics-based rate-dependent constitutive models of concrete in the seismic analysis of concrete dams

This paper discusses the seismic analysis of concrete dams with consideration of material nonlinearity. Based on a consistent rate-dependent model and two thermodynamics-based models, two thermodynamics-based rate-dependent constitutive models were developed with consideration of the influence of the strain rate. They can describe the dynamic behavior of concrete and be applied to nonlinear seismic analysis of concrete dams taking into account the rate sensitivity of concrete. With the two models, a nonlinear analysis of the seismic response of the Koyna Gravity Dam and the Dagangshan Arch Dam was conducted. The results were compared with those of a linear elastic model and two rate-independent thermodynamics-based constitutive models, and the influences of constitutive models and strain rate on the seismic response of concrete dams were discussed. It can be concluded from the analysis that, during seismic response, the tensile stress is the control stress in the design and seismic safety evaluation of concrete dams. In different models, the plastic strain and plastic strain rate of concrete dams show a similar distribution. When the influence of the strain rate is considered, the maximum plastic strain and plastic strain rate decrease.     

两种非线性模型下重力坝强震破坏机理研究

以某重力坝为例，在已有研究的基础上，分别采用塑性损伤模型和动接触力模型，对混凝土重力坝进行非线性动力分析，研究讨论了坝体头部强震破坏进程、破坏机理以及在贯通前后上下游节点对位移差变化情况，并基于两种模型的本构关系，对比分析了两种模型下重力坝强震损伤破坏演化过程的差异及其对重力坝极限抗震能力的影响。研究结果表明，采用塑性损伤模型计算的混凝土坝坝体头部折坡处的开裂要早于接触模型，但是开裂进程比接触模型慢；若以坝体头部开裂贯通为依据，损伤模型和接触模型的极限抗震能力相差不大，接触模型略低；对头部存在明确层面、不需要考虑网格细化问题等的碾压混凝土坝可采用接触模型，对于不存在明确层面的情况，建议采用损伤模型。