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考虑坝体—库水—地基相互作用的有横缝拱坝地震响应分析

赵兰浩  
【摘要】:混凝土拱坝在施工过程中为了施工方便和温度应力控制的需要,坝体通常分段浇筑,各坝段间横向设置伸缩缝。在地震荷载作用下横缝的张开、闭合和滑移过程会显著地引起坝体拱向应力的释放和导致应力从拱向向梁向的调整和重新分布,对高拱坝的地震响应有着重大影响。对高拱坝的抗震安全性评价具有重要意义的另外两个影响因素是坝体和库水的动力相互作用以及无限地基的辐射阻尼效应。本文的目的是建立一套能够综合考虑影响拱坝地震响应的三个重要因素的拱坝非线性地震反应数值分析方法,其主要研究内容如下: 1、针对有横缝高拱坝的非线性静、动摩擦接触问题,提出一种新的接触算法—有限元混合法。该方法将作用在接触体上的力系分解为外力和接触缝面上的接触力,把接触体的位移和接触界面上的接触力作为混合变量,其中以接触体的位移为基本未知量,而以接触区域局部坐标系下的结点接触力为迭代变量,将非线性接触迭代收缩在接触面上进行,将复杂的摩擦接触非线性反映在接触力的变化上,同时进行接触状态和接触力的迭代,使得迭代计算变得简单易行,大大提高了计算效率。 2、讨论了坝体和库水流固耦合动力相互作用的数值分析方法,建立一种适当简化而又不失准确性的模拟库水动水压力的计算方法。首先介绍了基于改进Wilson-θ法的流固耦合迭代算法,然后给出本文提出的两种基于广义Newmark-β法的流固耦合方程的求解方法:交错迭代求解方法和直接积分整体求解方法。并讨论了影响坝面动水压力的几个因素,指出坝体和库水之间的相互作用是一个复杂的耦合系统,动水压力对坝体动力响应的影响不能仅仅用作用在坝面上动水压力的最大值来衡量。 3、将多次透射人工边界条件和隐式有限元相结合,并将其和摩擦接触问题的有限元混合法、坝体-库水动力相互作用分析方法一起应用于高拱坝的非线性地震反应分析中,提出了一套较为准确、高效地模拟强震作用下考虑坝体-库水-地基动力相互作用的有横缝拱坝非线性行为的分析方法,开发了相应的计算软件GEHOMadrid。 4、将本文提出的有横缝拱坝非线性地震反应分析方法应用于乌东德拱坝中,按照实际间距和条数模拟横缝的非线性特性,同时考虑坝体-库水-地基的相互作用,得出了许多有价值的成果,为实际工程设计提供了合理、科学的依据和参考,对坝体非线性地震反应的影响因素进行了深入分析,得出了一些有重要意义的结论。


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