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高面板堆石坝随机动力响应分析及基于性能的抗震安全评价

庞锐  
【摘要】:我国西部地区水能资源丰富,一批200~300m级高面板堆石坝在此地区建设或拟建,但是本区域处于喜马拉雅山-地中海地震带,地质条件相对复杂且地震烈度较高,地震活动相对频繁,因此地震作用下的大坝安全性研究意义重大。目前尚未出现经受强震考验的200m以上的高坝为抗震设计和研究提供参考,因而深入研究地震特别强震作用下的高面板堆石坝抗震安全具有突出的科学意义和工程价值。基于性能的抗震安全评价方法可以全面地、深入地分析地震作用下结构性能的变化,有效估计结构在地震作用下的危险性,逐渐在很多工程领域应用发展,但是对土石坝尤其高面板堆石坝的抗震安全评价,目前仍主要采用传统的确定性分析方法,基于性能的抗震安全评价还刚刚起步,尤其针对高面板堆石坝还鲜有研究,主要需要注意三方面问题:结构在地震下真实的响应性态应该从有效的抗震分析模型和方法中表现出来,实际工作中应充分考虑不确定性因素和从概率角度进行地震响应分析,合理的性能指标和定量化的性能目标是抗震安全评价的前提和基础。针对上述问题,本文从随机动力学角度出发,在系统考虑地震动随机性、筑坝材料参数不确定性和地震动-材料参数耦合随机性等随机因素的基础上,联合先进的高土石坝静、动力数值模拟方法和概率分析方法,力图从随机动力和概率角度建立基于性能的高面板堆石坝抗震安全评价方法。先后构建了基于水工抗震规范谱的随机地震动生成方法,建立了高维随机参数样本生成方法和地震动-材料参数耦合随机样本生成方法,结合精细化的非线性有限元动力时程分析方法、广义概率密度演化方法和易损性分析方法等,从随机动力和概率角度揭示了高面板堆石坝地震响应特性,考虑坝体变形、防渗体安全和坝坡稳定三个方面,建议了高面板堆石坝抗震安全评价性能指标并提出了相应的具有概率保证的性能水准,最终建立了多地震强度-多性能目标-破坏概率性能关系,初步形成了基于性能的抗震安全评价框架,为高面板堆石坝抗震设计以及极限抗震能力分析提供科学依据。本文主要工作如下:(1)在总结土石坝中存在的不确定性因素基础上,指出结合有效的概率分析方法建立基于性能的抗震安全评价方法的必要性。评述了现有土石坝随机动力响应和传统概率分析方法的不足和未来发展方向,详细阐述了广义概率密度演化方法的理论基础和求解流程;建立了基于谱表达-随机函数的随机地震动模型和基于GF-偏差优化选点技术的高维随机变量生成方法,通过随机动力和概率分析,验证了其结合广义概率密度演化方法用于非线性复杂岩土工程的有效性和可靠性,为后续高面板堆石坝随机地震响应分析与基于性能的抗震安全评价奠定了基础。(第二章)(2)结合高面板堆石坝弹塑性分析,揭示了随机地震动作用下大坝动力响应和概率特性,建立了基于性能的抗震安全评价方法。首先,基于正交展开理论和谱表达-随机函数方法,引入强度-频率非平稳的随机地震动模型,生成了具有完备概率特征的同一集系地震动加速度样本时程;然后,结合广义概率密度演化方法和广义塑性模型,从随机动力和概率角度,揭示了坝体加速度、变形和面板应力响应特征和分布规律,表明地震动随机性对大坝响应有较大影响,为高面板堆石坝的地震响应和极限抗震能力分析提供参考;最后,基于坝体变形和防渗体安全两个方面,建议了合理的性能指标并划分了相应的性能水准,结合易损性分析初步建立了基于性能的高面板堆石坝抗震安全评价方法。(第三章)(3)从随机动力和概率角度研究了材料参数随机性对高面板堆石坝动力响应和抗震安全性的影响。首先,通过参数敏感性分析,挑选出弹塑性模型参数主要随机变量进行随机动力和概率分析:然后,基于GF-偏差选点优化方法生成弹塑性随机参数样本;最后,揭示了材料参数随机性与地震动随机性的异同点,并对比了随机参数不同分布类型的影响,指出确定性地震动激励下,考虑材料参数随机性的必要性,以及分布类型对大坝地震响应的影响规律。(第四章)(4)系统研究了地震动-材料参数耦合随机作用下高面板堆石坝随机动力响应和概率分布规律,完善了基于性能的抗震安全评价框架。首先,结合谱表达-随机函数和材料参数随机变量,同时生成随机地震动加速度时程和随机材料参数样本;然后,详细研究了地震动-材料参数耦合随机作用下高面板堆石坝随机动力响应和概率特性,并与地震动随机性、材料参数随机性引起的地震响应随机动力和概率结果对比,揭示了不同随机因素之间的关系;最后,建立了不同地震动强度作用下,考虑地震动-材料参数耦合随机性的多地震强度-多性能目标-超越概率的性能关系和易损性曲线,完善了基于性能的抗震安全评价框架。(第五章)(5)研究了三维高面板堆石坝随机动力响应规律,重点探讨了基于超应力体积比结合超应力累积时间的面板破坏性能指标和性能水准,进一步完善了基于性能的抗震安全评价框架。首先,基于上述研究成果,考虑地震动随机性,结合三维弹塑性分析和概率分析,从随机动力角度揭示了坝体加速度、变形和面板应力的变化和分布规律,响应分布规律和范围对高面板堆石坝抗震安全评价和极限抗震能力分析具有一定的参考意义;然后,初步探究和建议了基于面板超应力体积比结合累积时间的面板抗震安全评价性能指标和性能水准;最后,结合三维弹塑性随机动力分析结果,构建了基于坝体变形和防渗体安全的抗震安全评价框架。(第六章)(6)针对坝坡稳定,结合考虑堆石料软化效应的有限元动力时程分析法,从随机动力和概率角度系统探究了多随机因素下基于性能的高面板堆石坝坝坡稳定抗震安全评价框架。首先,通过随机动力和概率分析,揭示了地震尤其强震作用下,堆石料软化效应对坝坡稳定会产生重大影响,并表明了单纯从最小安全系数角度考察坝坡稳定的不合理性;然后,基于安全系数、安全系数超限累积时间和累积滑移量三个性能指标,探究并对比了考虑地震动随机性、材料参数不确定性和地震动-材料参数耦合随机性的坝坡稳定动力响应规律,随机动力和概率分析结果表明,三类随机性对坝坡稳定都有一定程度影响,因此,需要充分考虑各类不确定性因素对坝坡稳定的影响并建立相应的性能评价标准;最后,建议了基于超限累积时间和累积滑移量的坝坡稳定安全评价性能水准,建立了考虑不同随机因素下多地震强度-多性能目标-超越概率性能关系和易损性曲线,进一步完善了基于性能的高面板堆石坝抗震安全评价框架。(第七章)


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