高混凝土坝抗震分析中远域能量逸散时域模拟方法研究

摘要

结构周围的土体通常是半无限介质，对静荷载下土与结构相互作用进行分析时，荷载对远离结构的土体的影响可以忽略不计，因此可在离结构较远处引入虚拟边界，截取有限区域内的土体进行模拟，把问题直接转化为由结构和有限土体组成的体系的分析。但在土与结构动力相互作用的分析中，由于虚拟边界会把由结构辐射出来的波反射回已被截取出来的有限土体中，使波无法透过虚拟边界而辐射至无穷远处，即无法满足辐射条件，因而不能简单地截取有限土体进行分析。为此许多学者提出了多种人工边界以解决有限截取模型边界上波的反射问题，其中比较有代表性的有粘性边界、旁轴近似边界、叠加边界、透射边界和粘一弹性边界等。但是这些边界条件大多存在着边界稳定性和大角度入射的问题。 对于水利工程中的高混凝土坝，抗震分析多采用传统的无质量地基固定边界模型，没有考虑到地基的辐射阻尼作用以及波动的不均匀输入。为了克服传统方法存在的问题，同时也为了寻找一种简单有效、能够消除边界反射影响的时域有限元方法，本文开展了一系列的研究工作： 1．对现今比较常用的3种时域人工边界条件：粘性边界、透射边界和粘一弹性边界条件进行了尺寸效应比较和研究，得出了在满足精度要求的前提下每种边界与所考察点的最小距离，即粘性边界为1.5倍波源尺寸，粘一弹性边界为0.75倍波源尺寸，透射边界为1倍波源尺寸。 2．针对地震积分速度时程和位移时程存在的基线漂移问题，总结了一套行之有效的时域校正方法。 3．将粘一弹性边界条件与隐式有限元相结合，并将其应用于水利工程中重力坝和拱坝的抗震分析中。 4．基于远置人工边界原理，结合非协调网格法，提出一种能考虑到远域能量逸散效应的时域有限元计算方法──逐步扩大网格法，并提出了相适用的波动输入方法。采用逐步扩大网格法大大减少了计算量，提高了工作效率，而且避开了一般人工边界存在的稳定性和大角度入射的问题，从而也可以用于其他人工边界的检验工作。并将逐步扩大网格法应用于重力坝和乌东德拱坝的抗震分析中。 5．由于两相介质波动方程比较复杂，一般情况存在三种波（P<,1>、P<,2>、S），且P<,1>和P<,2>波相互耦合，所以两相介质中人工边界的建立和应用的研究要相对困难的多。本文基于Biot方程u-p格式的饱和介质动力有限元方程，将逐步扩大网格法应用于饱和无限地基的动力分析中。最后将淤砂作为饱和介质处理，建立了一套重力坝－库水－淤砂－地基动力分析模型。

目录

文摘

英文文摘

前言

学位论文独创性声明及使用授权说明

第1章　绪论

1.1　选题背景与研究意义

1.2　结构－地基动力相互作用研究综述

1.3　无限地基中波动的数值模拟研究综述

1.4　饱和介质波动理论研究综述

1.5　本文主要研究工作

第2章　常用动力人工边界研究

2.1　基本波动理论

2.2　常用动力人工边界介绍

2.3　几种人工边界尺寸效应研究

2.4　本章小结

第3章　波动输入机制及地震波数据的处理

3.1　地震动输入机制

3.2　人工边界上的波动输入

3.3　地震波数据的处理

3.4　一套简便的地震信号时域模拟方法

3.5　本章小结

第4章　粘－弹性人工边界在混凝土坝动力分析中的应用

4.1　引言

4.2　程序验证

4.3　粘－弹性人工边界在重力坝动力分析中的应用

4.4　粘－弹性人工边界在拱坝动力分析中的应用

4.5　本章小结

第5章　无限域波动问题的逐步扩大网格法

5.1　引言

5.2　逐步扩大网格法

5.3　波源问题算例

5.4　波动输入方法

5.5　采用逐步扩大网格法求解重力坝地震响应问题

5.6　本章小结

第6章　金沙江乌东德拱坝预可研阶段抗震研究

6.1　引言

6.2　工程概况及基本计算参数

6.3　静力计算成果分析

6.4　动力计算成果分析

6.5　静－动组合计算成果分析

6.6　本章小结

第7章　基于逐步扩大网格法的饱和无限地基的动力分析研究

7.1　引言

7.2　饱和介质的动力平衡方程以及有限元离散

7.3　逐步扩大网格法在饱和介质动力问题中的应用

7.4　算例

7.5　重力坝－库水－淤砂－地基体系的地震响应分析

7.6　本章小结

第8章　结论与展望

8.1　本文主要研究内容

8.2　本文主要创新点

8.3　展望

参考文献

攻博期间发表的学术论文

致谢