考虑坝-无限地基动力相互作用的地震动输入模型研究

摘要

随着各种建筑物及构筑物不断兴建，结构对于抗震的要求越来越高，抗震技术也不断提高。大坝作为国家水资源调配的重大工程结构，其抗震安全性有着更为严格的要求，这就要求研究人员对大坝的抗震分析技术进行更加深入的研究。地震动输入模型是大坝结构地震响应分析的基本条件，需要利用土-结构动力相互作用的理论，合理地考虑无限地基辐射阻尼效应、结构与地基之间的相互作用力计算模型，明确地震动作用特点和施加方法。本文针对两种不同的地震动输入模型，即等效惯性力和基础边界输入模型，及相应的无限地基模型，研究其计算精度、工程应用，并根据对大坝-地基系统的地震响应的对比分析，说明不同模型的特点和应用范围。主要研究工作如下：
　　（1）针对基础边界地震动输入模型，采用了两种方法建立无限地基模型：粘弹性局部人工边界模型和比例边界有限元动刚度模型。并在ANSYS有限元软件平台上，根据粘弹性人工边界条件的形式，以及相应基础边界地震动输入模型，开发了命令流程序；在已有的比例边界有限元边界动刚度计算程序的基础上，完成了坝体-地基系统的频域平衡方程求解的计算程序。以弹性半空间自由场响应、半圆形河谷散射场响应等例题，验证了无限地基模型、地震动输入模型、以及所编写的命令流、程序的准确性。
　　（2）针对2维重力坝-地基系统、3维拱坝-地基系统，根据两种地震动输入模型，即等效惯性力模型和基础边界输入模型，进行系统的地震响应分析。通过对坝体自振特性、坝体关键点处与坝基运动的相对位移、坝体应力等计算结果的对比和分析，获得了不同地震动输入模型、不同无限地基模型对坝体地震响应的影响程度，同时，总结这些模型的适用范围和计算特点：a.等效惯性力模型模型简单，但对土-结构动力相互作用做了过分简化；b.基础边界地震动输入模型能够考虑无限地基的辐射阻尼特性，反映地震动的传播特性，坝体动力特性的改变；其中，使用比例边界有限元计算地基动刚度，能够以较高的精度反映无限地基的辐射阻尼效应，在满足基础边界地震动输入模型假设的前提下，能够提供准确的地震动输入荷载；使用粘弹性人工边界条件在低频范围内能够近似考虑无限地基辐射阻尼效应，且由于形式简单，可用于较大规模的结构-地基系统的地震响应分析；c.基础边界地震动输入模型还难以考虑建坝对自由场响应的改变，因此，还需进一步发展与上部结构互动的地震动输入模型。

目录

1 引言

1.1 选题意义及背景

1.1.1 地震灾害及大坝抗震安全的需求

1.2 土-结构动力相互作用的研究进展

1.2.1 无限地基辐射阻尼的研究

1.2.2 地震动输入机制的分类

1.3 主要研究内容

2 大坝地震动输入模型及结构-地基动力相互作用模型理论

2.1 等效惯性力地震动输入模型（近场无质量地基和远场刚性地基组合）

2.2 基础边界地震动输入模型1（直接法-粘弹性人工边界）

2.2.1 粘弹性人工边界条件

2.2.2 基于粘弹性人工边界的基础边界地震动输入机制[32]

2.2.3 实施方法

2.2.4 数值算例

2.3 基础边界地震动输入模型2（子结构法-比例边界有限元模型）

2.3.1子结构法基本方程及基于无限地基动刚度的基础边界地震动输入机制

2.3.2比例边界有限元方法基本理论和频域动刚度连分式解法简介

2.3.3数值算例

3 不同地震动输入模型的对比分析

3.1 不同地震动输入模型的重力坝地震响应分析

3.1.1有限元模型及荷载

3.1.2坝体控制点处的位移频响曲线对比

3.1.3坝体控制点处的相对位移时程曲线对比

3.1.4坝体应力对比

3.1.5小结

3.2 不同地震动输入模型的拱坝地震响应分析

3.2.1有限元模型及荷载

3.2.2坝体不同位置处的位时程对比

3.2.3坝体应力对比

3.2.4小结

4结论与展望

4.1 结论

4.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢