發(fā)布時(shí)間：2021-08-19所屬分類：免費(fèi)文獻(xiàn)瀏覽：1次
摘 要： 水電能源科學(xué)
《單向及雙向輸入地震波對(duì)拱壩系統(tǒng)的影響》論文發(fā)表期刊：《水電能源科學(xué)》；發(fā)表周期：2021年04期
《單向及雙向輸入地震波對(duì)拱壩系統(tǒng)的影響》論文作者信息：作者簡(jiǎn)介：沈智敏（1995－），男，碩士研究生，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)分析及工程應(yīng)用。通訊作者：閆毅志（1968－），男，博士、教授、碩導(dǎo)，研究方向?yàn)樗そY(jié)構(gòu)分析及工程應(yīng)用等。
摘要：采用ADINA有限元軟件建立三維的拱壩-庫(kù)水-淤沙-地基耦合模型，分別以人工合成地震波水平記錄計(jì)算輸入的單向及雙向地震波，改變激勵(lì)方向，分析了壩體、壩基的位移及應(yīng)力響應(yīng)。結(jié)果表明，雙向輸入地震波下，拱壩體系各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移和應(yīng)力響應(yīng)明顯大于單向輸入時(shí)的情況，同時(shí)，位移和應(yīng)力的最大值與激勵(lì)角度有關(guān)，最不利輸入角度處于-40°～-90°之間。
關(guān)鍵詞：拱壩;耦合模型;單雙向輸入地震波;地震響應(yīng)
1引言
我國(guó)水力資源豐富，為充分開發(fā)水能資源，無(wú)法避免地會(huì)在高地震烈度區(qū)修建一批高拱壩工程，這勢(shì)必要進(jìn)一步提高拱壩的抗震設(shè)計(jì)值。在以往的高拱壩抗農(nóng)研究中，張翌娜等[1]視拱壩庫(kù)水一地基為“三位一體”耦聯(lián)動(dòng)力系統(tǒng)，對(duì)拱壩進(jìn)行了地震情況下的非線性動(dòng)力分析和安全評(píng)價(jià);龔亞琦等[2]對(duì)壩體一地基一庫(kù)水體系進(jìn)行了細(xì)致的理論分析，詳細(xì)說(shuō)明了數(shù)值模擬的實(shí)現(xiàn)。在對(duì)人工邊界和地震波的輸入方面，董凱等[]對(duì)彈性和柔性地基上動(dòng)力人工邊界及地震動(dòng)輸入方法做出了實(shí)質(zhì)的指導(dǎo);尹廣斌等[1基于ADINA軟件探討了軟基上地震動(dòng)輸入方法及運(yùn)用情況，給出了ADINA中具體的實(shí)現(xiàn)方法。然而，目前在地震波輸入方面只考慮了單向地震激勵(lì)，忽略了雙向地震激勵(lì)[5，故不能合理地分析不同方向地震激勵(lì)對(duì)高拱壩的影響，其次在拱壩一庫(kù)水-地基耦合體系中，不可忽視淤沙層對(duì)地震響應(yīng)的影響。鑒此，本文結(jié)合ADINA軟件，建立了拱壩一庫(kù)水一淤沙一地基耦合模型，分別輸入單向及雙向地震激勵(lì)對(duì)拱壩進(jìn)行計(jì)算分析，其結(jié)果對(duì)高拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安全性評(píng)價(jià)具有一定的指導(dǎo)意義。
2人工邊界及地震波
2.1人工邊界
在數(shù)值仿真模擬人工邊界問(wèn)題中，粘彈性人工邊界優(yōu)勢(shì)在于能簡(jiǎn)單的與有限元相結(jié)合，即在模型邊界節(jié)點(diǎn)處可分別設(shè)置法向、切向并聯(lián)彈簧和阻尼器單元，見(jiàn)圖1。圖1中，Ai為人工邊界上節(jié)點(diǎn)的影響面積;Ki為彈簧的單元?jiǎng)偠认禂?shù);Ci為阻尼器的單元阻尼系數(shù)。
關(guān)于粘彈性邊界，推導(dǎo)的前提是建立在無(wú)限域和對(duì)稱的假定上的，而實(shí)際要解決的往往是半無(wú)限域和非對(duì)稱問(wèn)題。為了更好地在ADINA有限元軟件中模擬實(shí)際邊界條件，需修正彈簧參數(shù)和阻尼器參數(shù)，統(tǒng)一參數(shù)并施加彈簧一阻尼器系統(tǒng)的粘彈性邊界，表達(dá)式為：
式中，G為介質(zhì)剪切模量;p為介質(zhì)密度;Cc，分別為介質(zhì)的P波、剪切波波速。
同時(shí)，需在人工邊界方面設(shè)置一系列由線性彈簧和阻尼器組成的簡(jiǎn)單力學(xué)模型以實(shí)現(xiàn)粘彈性人工邊界，其中彈簧的單元?jiǎng)偠认禂?shù)及阻尼器的單元阻尼系數(shù)可基于式(1)獲得：
2.2地震波確定
目前常見(jiàn)的時(shí)程分析中，地震波有典型的強(qiáng)震記錄、人工模擬地震波和實(shí)際強(qiáng)震記錄三種方式5。其中，人工加速度的記錄更為任意、靈活，更易滿足給定條件。因此，采用人工模擬地震波的形式來(lái)選取雙向地震波。圖2為基于雙向地震輸入的人工合成反應(yīng)譜的選波流程圖。采用同一地震波分量下的兩水平方向進(jìn)行輸入，兩者的峰值加速度比值調(diào)整為1：0.85。圖3為選取的雙向地震波三向加速度時(shí)程曲線。
2.3地震波振動(dòng)分量的計(jì)算
分別以人工合成地震波水平記錄計(jì)算單向輸入、人工合成地震波雙向水平記錄計(jì)算雙向輸入，最終求解出在壩體上下游及壩基處地震動(dòng)不同振動(dòng)方向的動(dòng)力反應(yīng)，其計(jì)算工況見(jiàn)表1。
本文構(gòu)建的拱壩模型受到順河向和橫河向的雙重振動(dòng)作用，可通過(guò)下式計(jì)算順河向和橫河向的振動(dòng)分量：
3拱壩模型的建立
3.1模型和參數(shù)
通過(guò)ADINA有限元軟件構(gòu)建了壩體一庫(kù)水-淤沙一地基系統(tǒng)動(dòng)力耦合模型，見(jiàn)圖4。其中，壩體上游面的長(zhǎng)度取壩高的3倍，壩體下游面的長(zhǎng)度、壩體底部向下延伸的長(zhǎng)度、左邊和右邊壩體的邊界處均取壩高的1.5倍，淤沙層厚度選取壩高的0.4倍。
為了計(jì)算方便，模型中忽略河谷場(chǎng)地效應(yīng)，依據(jù)規(guī)范和拱壩的自身性質(zhì)，得到拱壩材料參數(shù)見(jiàn)表2[7]。
3.2監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置
為了能準(zhǔn)確觀測(cè)壩體及壩基的地震響應(yīng)情況，分別在壩體與地基接觸面處依次選取具有代表性的A、B、C，D，E五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖5(a))，其中壩體下游面選取A，、B，、C.、D，、E，五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖5(b))，壩體上游面選取A2B、C2、D2、E五個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)(圖5(c)。
4結(jié)果與分析
4.1單雙向地震波激勵(lì)下主應(yīng)力響應(yīng)分析
4.1.1壩體下游主應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比單雙向地震波激勵(lì)下壩體下游面拉應(yīng)力均隨著高程的降低而降低，拉應(yīng)力最大值均發(fā)生在A點(diǎn)4--90"，-40"時(shí)，后者比前者大9.1%。對(duì)壩體下游面壓應(yīng)力，單向輸入時(shí)，A，點(diǎn)的壓應(yīng)力最大，雙向輸入時(shí)壓應(yīng)力最大值為E點(diǎn)q=-40時(shí)，雙向地震作用下的壓應(yīng)力為單向地震作用下的1.
05倍。
4.1.2壩體上游主應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比在分別輸入單向和雙向地震波時(shí)，壩體上游面拉應(yīng)力在D，、E2點(diǎn)出現(xiàn)了部分負(fù)值的情況，但其他各監(jiān)測(cè)點(diǎn)仍受拉應(yīng)力作用;在單雙向地震激勵(lì)下，最大拉應(yīng)力值均在A2點(diǎn)的q--60"時(shí)，且最大拉應(yīng)力值相差1.28倍。在單向地震激勵(lì)作用下，上游面最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在E2點(diǎn)4--909時(shí);雙向地震激勵(lì)作用下，上游壓應(yīng)力的變化規(guī)律與單向一致，壓應(yīng)力最大值發(fā)生在4=-70時(shí)，雙向輸入比單向大11.73%。
4.1.3壩基主應(yīng)力響應(yīng)對(duì)比在不同地震波激勵(lì)角度下，壩基各參考點(diǎn)的最大拉應(yīng)力值均出現(xiàn)在A點(diǎn)，單雙向輸入地震波分別發(fā)生在4-90、-90"時(shí)，且雙向地震作用下最大拉應(yīng)力值為單向的1.06倍。單向及雙向地震激勵(lì)下，壩基壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在E點(diǎn)φ=90"、-90"時(shí)，但兩者的應(yīng)力值相差不大。特別地，在雙向地震激勵(lì)作用下，壩基A、B、D三點(diǎn)的壓應(yīng)力極值受激勵(lì)角度的變化影響不大，C、E兩點(diǎn)在4-20~80時(shí)有明顯突變。
4.2單雙向地震波激勵(lì)下位移響應(yīng)分析
4.2.1壩體位移響應(yīng)對(duì)比
選取壩頂為參考點(diǎn)，研究壩體在單向及雙向地震波激勵(lì)下不同振動(dòng)方向的位移極值響應(yīng)，結(jié)果見(jiàn)圖6，由圖6可看出，單向地震波輸入時(shí)，壩頂X向的位移在4=0時(shí)最大(為0.0405m)，雙向地震波輸入時(shí)，壩頂X向的位移在4=30時(shí)最大(0.0491m)，為單向輸入時(shí)的1.21倍;雙向輸入地震波時(shí)，壩頂Y向最大位移為0.1919m，比1入最大值(0.1636m)大17.30%。可見(jiàn)，單雙向地震波作用下的壩頂Y向位移整體比X向位移大。
4.2.2壩基位移響應(yīng)對(duì)比圖7為單向及雙向地震波激勵(lì)下不同振動(dòng)方向壩基X、Y向位移極值。由圖7(a)、(b)可知，單向和雙向地震波輸入時(shí)分別在4=0"、30時(shí)X向位移極值最大，且最大位移相差4.63%;位移極值隨各監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程的降低而減小，壩基A點(diǎn)位移響應(yīng)極值最大。由圖7(c)、(d)可知，單向地震波輸入時(shí)壩基Y向位移最大值位于A點(diǎn)4=90處，雙向地震波輸入時(shí)壩基Y向最大位移為B點(diǎn)4--400處。總體來(lái)看，不同地震波輸入的情況下，最大位移發(fā)生的位置各不相同。
5結(jié)論
a.對(duì)比單雙向地震激勵(lì)的情況，拱壩壩體和壩基X、Y向位移的最大值均在雙向地震激勵(lì)下發(fā)生，且最大位移值在Y向較為偏大。其中，壩頂?shù)腦、Y向最大位移值分別為0.0491、0.1919m，壩基X、Y向最大位移值分別為0.067 80.098 9 m.
b.對(duì)壩體的上下游及壩基輸入不同激勵(lì)的地震波，單向輸入時(shí)，最大位移及應(yīng)力值發(fā)生在橫河向或順河向;雙向輸入時(shí)，地震響應(yīng)極值與地震波輸入時(shí)繞拱壩坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的振動(dòng)角度有關(guān)，最不利輸入角度處于-40~-90之間。
c.在高拱壩抗震設(shè)計(jì)與安全評(píng)價(jià)中，只考慮單向地震波輸入的影響會(huì)低估壩體的破壞效應(yīng)，往往在高地震烈度地區(qū)發(fā)生潛在危險(xiǎn)的可能性更大，結(jié)果可為后續(xù)其他類似工程的設(shè)計(jì)與計(jì)算提供參考。
參考文獻(xiàn)：
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Abstract: The three-dimensional coupling model of arch dam-reservoir water-sil-foundation was established by using finite element software ADINA. The input unidirectional and bidirectional seismic waves were recorded and calculated by using synthetic seismic waves horizontally. The excitation direction was changed, the displacement and stress response of the dam body and foundation were analyzed. The results show that the displacement and stress responses of the monitoring points of the arch dam system under the bidirectional input are obviously larger than those under the unidirectional input. Meanwhile, the maximum displacement and stress are related to the excitation angle, and the most unfavorable input angle is between-40 and -90.
Key words: arch dam; coupling model; unidirectional and bidirectional input seismic waves; seismic response
