库水-淤砂层-坝体-坝基体系地震响应分析

针对我国西部水利工程结构面临的地震安全问题，特别是混凝土高拱坝的抗震安全设计，以小湾水电站混凝土高拱坝为研究对象，进行了库水-淤砂层-坝体-坝基体系的耦合动力分析，同时考虑了复杂的坝基地形、正常蓄水位的库水以及常年运行而堆积的淤沙层的影响。主要内容有：(1)基于传递矩阵法及二维有限元，实现了复杂峡谷地形的自由场计算；(2)基于水-饱和多孔介质-固体的统一计算框架，实现了库水-淤沙层-坝体-坝基体系的三维地震响应分析算法。最后，分别以脉冲波和地震波作为输入，探讨了小湾拱坝的地震响应规律及库水淤沙层对拱坝地震响应的影响。结果表明：坝体顶部中心区域会承受较大的拉、压应力；而库水底部淤砂层对坝体的位移及应力影响并不显著。     

双向地震波输入时振动方向对拱坝地震响应的影响

拱坝-地基三维地震响应分析中大多只分析入射地震波在拱坝-地基系统坐标系方向输入时的地震响应,而事实上,垂直入射的剪切波其振动方向是不确定的,地震波动的合理输入对拱坝-地基系统的地震响应分析起着决定性的作用.本文研究了拱坝-地基系统在双向地震波输入时不同振动方向对拱坝-地基系统地震响应的影响.计算结果表明:在双向地震波输入情形时,拱坝位移及应力响应最大值均不是发生在传统方法的横河向或者顺河向,而是与输入地震波相关,所以在研究拱坝-地基三维地震响应时有必要考虑入射地震波振动方向的影响.     

多维地震动各方向相关性对拱坝动应力的影响

本文将随机振动的虚拟激励法与拱坝-地基动力相互作用FE-BE-IBE时域模型结合，发展了一个可以考虑多维随机地震动作用下的拱坝动力响应计算模型，并用Monte Garlo方法对模型进行了验证，计算结果表明，地震动分量的相关性对结构的动力响应存在一定影响，合理考虑地震动各方向分量的相关性可以更好地计算实际地震作用下的拱坝动力响应。     

土-结构相互作用分析中几类地震输入方式的比较

地震作用下土-结构动力相互作用的整体有限元分析需要在人工边界处输入地震动。目前可能采用的地震输入方法包括黏弹性边界自由场输入方法、自由场应力方法、自由场位移方法以及侧边界自由方法。由于采用近似人工边界条件或者未完全考虑地震自由场,上述地震输入方法均为近似方法。本文以大开地铁车站二维有限元分析为例,根据规范建议的边界位置,研究了上述地震输入方法的精度,研究成果可为土-结构相互作用分析的合理地震输入提供一定参考。     

地基弹性与惯性对拱坝振动的影响

拱坝与地基的动力相互作用对拱坝的振动特性与地震反应有重要的影响。本文着重讨论地基的弹性与惯性相互作用问题。弹性相互作用主要指地基的弹性动力变形对拱坝自振特性的影响;惯性相互作用主要指地基质量的惯性对拱坝自振特性与坝体反应的影响。文中除用反应谱方法外,还用反应历程法对上述影响进行了讨论。     

多点输入随机地震动拱坝-地基体系反应分析

采用等效地基集总参数方法,推导了拱坝－地基体系的简化多点随机输入分析模型,对拱坝－地基动力相互作用体系在多点随机输入地震波作用下的随机响应到进行了分析,并对地基柔度及地震动空间相干性损失对拱坝随机响应的影响进行了讨论。     

自由场地基液化大型振动台模型试验研究

目前，大型振动台模型试验是研究液化场地的地基动力特性及土-结动力相互作用的一种有效手段。以1976年唐山地震中倒塌的胜利桥的地基为原型，开展1：lO模型的自由场地基液化的大型振动台模型试验研究，再现了自然地震触发地基砂土液化的各种主要宏观震害现象，尤其是模型地基的试验破坏与其原型的实际震害情况比较吻合。主要介绍有关此次大型振动台模型试验的相似设计、操作技术及试验结果等方面的若干关键科学问题。     

ABAQUS模拟土-结构相互作用时人工边界的选取

利用有限元数值模拟方法研究半无限空间中的动力响应问题时,人工边界的选取对于计算结果的可靠性与准确性有直接的影响。本文利用ABAQUS有限元软件计算土-结构地震响应,分析了选用不同人工边界对计算结果的影响。通过与远置边界自由场和土-结构模型的数值结果对比,讨论了底边界分别采用固定边界和黏性边界;侧边界分别采用固定边界、绑定边界、竖向约束边界和黏性边界时的计算误差。研究表明,利用ABAQUS软件计算土-结构动力相互作用影响时,黏性边界适合作为非刚性地基问题的底边界,固定边界适合作为刚性地基问题底边界。对于侧向边界当采用相对计算宽度较小模型时,固定边界和黏性边界无法再现自由场和土-结构响应;绑定边界和竖向约束边界可以模拟精确的自由场响应,并在动力土-结构作用分析中具有良好的性能。     

隔震板柱结构-基础-地基相互作用地震反应分析

对广州地区一例地基-基础-隔震板柱结构动力相互作用体系进行了计算分析.通过与常规设计方法及非隔震体系的比较,研究了该体系地震反应的变化规律,并分析了阻尼比、地基土特性、基础刚度、基础型式、基础埋深、土体深度、上部结构刚度和地震波等因素对相互作用体系动力特性及地震反应的影响.     

超强地震作用下深厚覆盖层场地重力坝抗震安全研究

本文通过成层状地基地震动输入计算方法得到覆盖层边界自由场运动,采用粘弹性边界,考虑地基辐射阻尼效应及坝体和地基的接触非线性,针对强震区深厚覆盖层场地重力坝开展线性和非线性动力时程分析研究,结合需求能力比DCR评估其抗震性能.由线弹性动力时程分析可知,在运行基准地震OBE作用下,重力坝坝体应力均在允许范围内,其抗滑稳定安...     

三维不规则地形河谷场地地震响应分析方法研究

本文提出了不规则地形地震响应分析的自由场计算方法,并以小湾拱坝场址作为三维场地模型,比较了三维不规则场地侧边界自由场的精确解和近似解;同时,采用大型有限元软件Ansys/Ls-Dyna计算了自由场对场地内部场点地震响应的影响.计算结果表明,三维场地模型的二维自由场近似解与精确解有很大差异,其结果对三维场地内部场点地震响应影响显著,因此,要准确求解三维不规则地形的地震响应必须采用真实的二维侧边界模型.     

基于不同设计反应谱的溪洛渡拱坝动力响应分析

合理的设计反应谱是保证高拱坝动力分析和安全评价结果可靠的前提。为研究不同反应谱时程对拱坝非线性响应的影响,分别基于GB 51247—2018《水工建筑物抗震设计标准》设计反应谱、DL 5073—2000《水工建筑物抗震设计规范》设计反应谱、以及溪洛渡场地相关反应谱,拟合出地震动时程,采用溪洛渡拱坝-库水-地基系统非线性损伤开裂模型进行拱坝的非线性地震响应分析。结果表明：反应谱的选择对溪洛渡拱坝地震响应影响显著,相比于2000年标准反应谱,2018年标准反应谱使溪洛渡拱坝坝顶最大动相对位移增加、坝顶上游面横缝开度增大、孔口和坝踵位置损伤加深。并且,2018年标准下的坝体动力响应整体高于基于场地谱的计算结果,而2000年规范下的坝体动力响应低于场地谱的计算结果,说明2000年规范理应更新,2018年标准更符合当下的抗震设计需求。     

考虑坝体材料非线性的混凝土拱坝地震反应分析

本文基于可信概率水准的破坏性强震作用,针对小湾高拱坝进行了考虑坝体材料非线性的拱坝地震反应分析。在分析模型中,同时考虑了无约束域地震能量辐射效应和近域地基材料非均匀性的影响。为了实现非线性条件下的静、动力组合分析,利用显式有限元结合修正的黏弹性人工边界的开放系统时域静、动力统一分析方法进行了求解,对在自重作用下的初始静力解计算采用了动力松弛技术。     

大型河谷场地地震动特性研究

采用有限差分方法,通过算例研究了大型河谷场地地震动特性分析中的人工边界的选取方法,对比分析了不同人工边界的选取对数值模拟结果的影响,确定了散射场地震反应分析输入边界的地震动输入方法,认为在进行有限差分动力计算时,模型两侧施加自由场边界的模拟效果要优于两侧施加粘性边界的模拟效果;同时,对FLAC计算软件进行二次开发,对2个地形差异较大的河谷场地,采用线性和非线性摩尔-库仑模型进行了地震反应对比分析,研究了河谷场地地震动幅值和频谱特性随地形变化的规律。模拟数据表明,河谷场地谷底处地震动基本无放大作用,地势凸起处放大作用则较为明显;当考虑土体非线性时,随着地震动强度的增加,放大作用逐渐减小;谱分析结果表明,地势凸起处受高频地震动的影响显著,而地势平坦的谷底则受低频地震动的影响显著。     

地下隧道横截面内地震动土作用分析

地下隧道抗震分析的关键在于确定地震过程中隧道所受的地震作用,亦即地震动土作用。本文采用间接边界元方法,求解了弹性基岩上覆层状场地中地下隧道所受的横截面内地震动土作用,通过参数分析揭示了地震动土作用的峰值大小、空间分布等基本规律。研究表明,土-隧道动力相互作用对地震动土作用的空间分布形式影响较小,地下隧道结构横截面内所受地震动土作用的空间分布形式与隧道相应位置处自由场土层应力空间分布形式基本一致;土-隧道动力相互作用对地震动土作用有明显放大效应,隧道主要位置点的水平动土作用和竖向动土作用与隧道相应位置处自由场土层应力相比分别放大1.4~2.0倍和1.2~1.6倍;随隧道埋深的增加,隧道所受地震动土作用呈明显增大趋势。最后在此基础上提出了横截面内地震动土作用的一个简化计算方法。该简化方法基于自由场地震响应分析,采用动力放大系数来考虑土-隧道动力相互作用,方法简单实用,计算精度可以满足工程需求。     

高拱坝体系整体抗震安全评价方法研究

采用非线性地震波动反应分析方法，将坝体、地基、库水的强震反应本质上作为满足体系中接触面边界约束条件的波传播问题，在时域内以显式有限元方法求解。在不同概率水平的地震波作用下进行高拱坝与地基体系的有限元时程分析，并建议了以坝体位移反应发生突变为依据的拱坝体系整体失稳判断准则，从而建立了进行高拱坝体系整体抗震安全评价的方法，并以小湾拱坝为算例，对其抗震安全度作出初步评价。     

复杂地基上拱坝的抗震试验研究

本文利用复杂地基的地质力学模型,进行了拱坝与地基的抗震性能试验研究,得到的拱坝各阶自振特性与有限单元法的理论分析结果甚为符合。试验表明:规模较大的坝肩断层构造对地基动力响应有一定影响,这种影响表现为断层交会的被切割岩体的动力反应明显增大。     

考虑地基土液化影响的高层建筑地震反应分析

为了研究地基土液化对高层建筑地震反应的影响，本文简要介绍了分时段等效线性有效应力动力分析方法，且将其中的等效线性化方法改进为逐步迭代非线性方法，并利用ANSYS程序的参数化设计语言将这一分析方法并入ANSYS程序中，最后分析了考虑液化时桩基-高层建筑体系的地震反应。认为对于单层砂土-桩基-高层建筑体系来说，砂土的液化对上部结构地震反应有较大的影响；而对于本文采用的上海土-桩基-高层建筑体系来说，砂土层的液化未对上部结构的地震反应产生明显的影响。     

地铁车站结构大型振动台试验与数值模拟的比较研究

根据可液化土层上土-地铁车站结构动力相互作用大型振动台模型试验结果,以软件ABAQUS为平台,将地基土-地铁车站结构体系视为平面应变问题,采用记忆型嵌套面黏塑性动力本构模型模拟土体的动力特性,采用混凝土动塑性损伤模型模拟车站结构混凝土的动力特性,建立了土-地铁车站结构非线性动力相互作用的有限元分析模型,对各种试验工况下地基土-地铁车站结构体系的地震反应进行了数值模拟,并与试验结果进行了对比,结果表明:数值模拟与振动台模型试验结果基本一致,体现出了相似的规律性,相互印证了计算分析的力学建模和振动台试验结果的正确性。     

考虑土-结构动力相互作用的TMD结构减震控制

本文分析了TMD(Tuned mass damper)在刚性地基和柔性地基情况下的减震控制机理,以某6层钢筋混凝土框架结构为研究对象,分别考虑了土-结构动力相互作用对无TMD控制结构的影响,场地条件对TMD减震控制性能的影响和土-结构动力相互作用对TMD减震控制性能的影响。通过分析得出TMD控制系统的减震效果除了与输入地震动特性有关外,还与场地条件、上部结构和基础的动力特性等因素有关。如果土-结构动力相互作用体系的自振周期远离输入地震动的卓越周期,则相互作用体系的地震响应较小。地基土越软,框架建筑结构层间相对位移地震响应也就越小。如果考虑土-结构动力相互作用效应的影响设计TMD调频系统的自振周期,则TMD的控制效果会有一定程度的提高。