【摘要】：對(duì)我國西部強(qiáng)震區(qū)建設(shè)的超高面板壩而言,合理地評(píng)價(jià)混凝土面板的抗震性能是面板壩可行性研究與抗震設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。因此,在進(jìn)行動(dòng)力數(shù)值分析時(shí),有必要對(duì)面板實(shí)施較為精細(xì)的模擬,而其中一個(gè)需要考慮的重要影響因素就是動(dòng)水壓力。現(xiàn)有的面板壩三維動(dòng)力流固耦合分析一般不考慮庫底與岸坡振動(dòng)所激發(fā)的動(dòng)水壓力,即不能精確計(jì)算動(dòng)水壓力,并且對(duì)于250m～300m級(jí)面板壩,忽略動(dòng)水壓力是否可行仍有待研究,現(xiàn)有成果難以滿足地震條件下高面板壩的安全評(píng)價(jià)要求。水工抗震規(guī)范所推薦的Westergaard簡化方法具有諸多的局限性、不能精確地計(jì)算壩前動(dòng)水壓力,有必要采用精確的動(dòng)水壓力計(jì)算方法對(duì)Westergaard簡化方法可能造成的誤差進(jìn)行細(xì)致的分析。在大壩與庫水動(dòng)力相互作用分析中,采用比例邊界有限元方法(SBFEM)、有限元法(FEM)或邊界元法(BEM)等數(shù)值方法處理不可壓縮庫水動(dòng)水壓力時(shí)得到的附加質(zhì)量陣為滿陣,當(dāng)耦合系統(tǒng)自由度數(shù)達(dá)到一定的規(guī)模時(shí),尤其對(duì)于具有較強(qiáng)非線性(彈塑性大壩)的數(shù)值計(jì)算,求解方程消耗了大量的計(jì)算時(shí)間。而且,當(dāng)進(jìn)行面板壩與可壓縮庫水系統(tǒng)的動(dòng)力流固耦合分析時(shí),頻率無關(guān)的波能吸收邊界的工程應(yīng)用適用性也需要進(jìn)一步討論。針對(duì)上述問題,本文在前人研究成果的基礎(chǔ)上,采用近年興起的SBFEM模擬壩前庫水,圍繞地震條件下面板壩與庫水非線性體系的動(dòng)力流固耦合分析展開深入系統(tǒng)的研究。主要工作如下:(1)采用SBFEM模擬壩前棱柱形半無限域庫水、FEM離散非線性壩體,建立基于FEM-SBFEM的面板壩-庫水時(shí)域非線性動(dòng)力流固耦合分析方法。研究地震條件下動(dòng)水壓力對(duì)混凝土面板動(dòng)力響應(yīng)的影響,揭示了壩前動(dòng)水壓力的分布規(guī)律及其對(duì)面板動(dòng)應(yīng)力的影響機(jī)理,即動(dòng)水壓力主要通過改變面板與堆石體之間的摩擦力來影響面板動(dòng)應(yīng)力。針對(duì)目前廣泛應(yīng)用的Westergaard集中附加質(zhì)量法的局限性,研究其對(duì)面板動(dòng)應(yīng)力造成的誤差,闡明了傳統(tǒng)的Westergaard方法的誤差機(jī)理,即面板的順坡向動(dòng)應(yīng)力的誤差主要由面板所受摩擦力的誤差和集中附加質(zhì)量的順坡向(切向)力作用兩個(gè)方面造成的。(2)采用SBFEM離散壩前復(fù)雜形狀的有限域庫水模型,提出了可考慮壩前三維復(fù)雜庫區(qū)形狀的壩前動(dòng)水壓力計(jì)算方法,驗(yàn)證了該方法的精度。并用該方法建立了面板壩-復(fù)雜形狀有限域庫區(qū)系統(tǒng)的動(dòng)力耦合分析方法,對(duì)比分析不同庫區(qū)形狀(狹窄的拐彎河谷與棱柱形河谷)對(duì)面板動(dòng)力特性的影響,同時(shí)驗(yàn)證棱柱形庫區(qū)的動(dòng)水壓力計(jì)算方法對(duì)狹窄拐彎庫水域的適用性。(3)大壩-地基網(wǎng)格跨尺度分析系統(tǒng)的壩體迎水面可能出現(xiàn)多邊形網(wǎng)格,傳統(tǒng)動(dòng)水壓力方法(三邊形或四邊形網(wǎng)格)不能直接用于此系統(tǒng)的動(dòng)力流固耦合分析,需要對(duì)壩體迎水面的網(wǎng)格進(jìn)行二次處理(增加了繁瑣的工作)�；赟BFEM理論和多邊形平均值形函數(shù),構(gòu)造了適用于棱柱狀半無限域庫區(qū)和三維復(fù)雜形狀有限域庫區(qū)的兩種多邊形流體單元,分別提出了基于SBFEM多邊形單元的棱柱狀半無限域庫區(qū)和三維復(fù)雜形狀有限域庫區(qū)兩種動(dòng)水壓力計(jì)算方法,驗(yàn)證了兩者的精度,彌補(bǔ)了具有多邊形網(wǎng)格的動(dòng)水壓力計(jì)算模型方面的空缺。將兩種動(dòng)水壓力計(jì)算方法與已有的大壩(網(wǎng)格跨尺度)分析系統(tǒng)相耦合,建立了面板壩與庫水系統(tǒng)網(wǎng)格跨尺度動(dòng)力流固耦合非線性分析方法。針對(duì)壩前棱柱形半無限域庫區(qū),通過該計(jì)算模型分析了地震條件下動(dòng)水壓力對(duì)面板壩的堆石體動(dòng)力反應(yīng)的影響;針對(duì)復(fù)雜形狀有限域庫區(qū),采用多邊形網(wǎng)格跨尺度離散庫水,減少了庫水自由度、提高效率,并驗(yàn)證了該耦合方法的精度。(4)采用基于SBFEM的棱柱形半無限域可壓縮庫水模型計(jì)算動(dòng)水壓力,并將該模型與面板壩有限元模型耦合,建立了基于FEM-SBFEM的面板壩-半無限域可壓縮庫水非線性動(dòng)力時(shí)域耦合分析方法,分析了庫水可壓縮性對(duì)壩前動(dòng)水壓力分布和面板壩動(dòng)力響應(yīng)的影響。此外,對(duì)于可壓縮庫水計(jì)算模型,采用截?cái)囝l率的方式,降低了頻域求解的計(jì)算量,改進(jìn)了可壓縮庫水的動(dòng)水壓力計(jì)算方法,進(jìn)而建立了改進(jìn)的面板壩與可壓縮庫水動(dòng)力耦合非線性分析方法,并驗(yàn)證了精度。對(duì)于庫區(qū)沉積層,還探討了與頻率無關(guān)的波能吸收模型的工程應(yīng)用適用性,建議在進(jìn)行面板堆石壩工程動(dòng)力抗震分析時(shí),采用不可壓縮庫水模型來計(jì)算壩前動(dòng)水壓力。(5)對(duì)于不可壓縮庫水模型,采用化簡附加質(zhì)量陣的方式在保證精度的前提下提高計(jì)算效率,建立了高效的大壩-庫水動(dòng)力流固耦合簡化分析方法,驗(yàn)證了該方法的精度。采用面向?qū)ο笤O(shè)計(jì)方法,在GEODYNA軟件平臺(tái)二次開發(fā)了基于SBFEM的等參/多邊形庫水單元,實(shí)現(xiàn)了基于FEM(或SBFEM)-SBFEM的大壩和地基-庫水系統(tǒng)(網(wǎng)格跨尺度)動(dòng)力相互作用的高性能精細(xì)化分析,并應(yīng)用于實(shí)際面板壩工程的分析,結(jié)果表明Westergaard集中附加質(zhì)量方法會(huì)對(duì)面板順坡向應(yīng)力造成很大的誤差,在面板壩工程抗震設(shè)計(jì)和研究中,應(yīng)采用更精確動(dòng)水壓力計(jì)算方法來更合理地評(píng)價(jià)其抗震性能。
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TV312
【圖文】：

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本文編號(hào)：2779564