發(fā)布時間：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拱壩系統(tǒng)的影響》論文作者信息：作者簡介：沈智敏（1995－），男，碩士研究生，研究方向為水工結(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)，研究方向為水工結(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-庫水-淤沙-地基耦合模型，分別以人工合成地震波水平記錄計算輸入的單向及雙向地震波，改變激勵方向，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)測點(diǎn)的位移和應(yīng)力響應(yīng)明顯大于單向輸入時的情況，同時，位移和應(yīng)力的最大值與激勵角度有關(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
我國水力資源豐富，為充分開發(fā)水能資源，無法避免地會在高地震烈度區(qū)修建一批高拱壩工程，這勢必要進(jìn)一步提高拱壩的抗震設(shè)計值。在以往的高拱壩抗農(nóng)研究中，張翌娜等[1]視拱壩庫水一地基為“三位一體”耦聯(lián)動力系統(tǒng)，對拱壩進(jìn)行了地震情況下的非線性動力分析和安全評價;龔亞琦等[2]對壩體一地基一庫水體系進(jìn)行了細(xì)致的理論分析，詳細(xì)說明了數(shù)值模擬的實現(xiàn)。在對人工邊界和地震波的輸入方面，董凱等[]對彈性和柔性地基上動力人工邊界及地震動輸入方法做出了實質(zhì)的指導(dǎo);尹廣斌等[1基于ADINA軟件探討了軟基上地震動輸入方法及運(yùn)用情況，給出了ADINA中具體的實現(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，忽略了雙向地震激勵[5，故不能合理地分析不同方向地震激勵對高拱壩的影響，其次在拱壩一庫水-地基耦合體系中，不可忽視淤沙層對地震響應(yīng)的影響。鑒此，本文結(jié)合ADINA軟件，建立了拱壩一庫水一淤沙一地基耦合模型，分別輸入單向及雙向地震激勵對拱壩進(jìn)行計算分析，其結(jié)果對高拱壩結(jié)構(gòu)設(shè)計和安全性評價具有一定的指導(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題中，粘彈性人工邊界優(yōu)勢在于能簡單的與有限元相結(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為彈簧的單元剛度系數(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)的前提是建立在無限域和對稱的假定上的，而實際要解決的往往是半無限域和非對稱問題。為了更好地在ADINA有限元軟件中模擬實際邊界條件，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，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單力學(xué)模型以實現(xiàn)粘彈性人工邊界，其中彈簧的單元剛度系數(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
目前常見的時程分析中，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程曲線。
2.3地震波振動分量的計算
分別以人工合成地震波水平記錄計算單向輸入、人工合成地震波雙向水平記錄計算雙向輸入，最終求解出在壩體上下游及壩基處地震動不同振動方向的動力反應(yīng)，其計算工況見表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作用，可通過下式計算順河向和橫河向的振動分量：
3拱壩模型的建立
3.1模型和參數(shù)
通過ADINA有限元軟件構(gòu)建了壩體一庫水-淤沙一地基系統(tǒng)動力耦合模型，見圖4。其中，壩體上游面的長度取壩高的3倍，壩體下游面的長度、壩體底部向下延伸的長度、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。
為了計算方便，模型中忽略河谷場地效應(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)見表2[7]。
3.2監(jiān)測點(diǎn)布置
為了能準(zhǔn)確觀測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五個監(jiān)測點(diǎn)(圖5(a))，其中壩體下游面選取A，、B，、C.、D，、E，五個監(jiān)測點(diǎn)(圖5(b))，壩體上游面選取A2B、C2、D2、E五個監(jiān)測點(diǎn)(圖5(c)。
4結(jié)果與分析
4.1單雙向地震波激勵下主應(yīng)力響應(yīng)分析
4.1.1壩體下游主應(yīng)力響應(yīng)對比單雙向地震波激勵下壩體下游面拉應(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，后者比前者大9.1%。對壩體下游面壓應(yīng)力，單向輸入時，A，點(diǎn)的壓應(yīng)力最大，雙向輸入時壓應(yīng)力最大值為E點(diǎn)q=-40時，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)對比在分別輸入單向和雙向地震波時，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)測點(diǎn)仍受拉應(yīng)力作用;在單雙向地震激勵下，最大拉應(yīng)力值均在A2點(diǎn)的q--60"時，且最大拉應(yīng)力值相差1.28倍。在單向地震激勵作用下，上游面最大壓應(yīng)力值出現(xiàn)在E2點(diǎn)4--909時;雙向地震激勵作用下，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，雙向輸入比單向大11.73%。
4.1.3壩基主應(yīng)力響應(yīng)對比在不同地震波激勵角度下，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，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下，壩基壓應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在E點(diǎn)φ=90"、-90"時，但兩者的應(yīng)力值相差不大。特別地，在雙向地震激勵作用下，壩基A、B、D三點(diǎn)的壓應(yīng)力極值受激勵角度的變化影響不大，C、E兩點(diǎn)在4-20~80時有明顯突變。
4.2單雙向地震波激勵下位移響應(yīng)分析
4.2.1壩體位移響應(yīng)對比
選取壩頂為參考點(diǎn)，研究壩體在單向及雙向地震波激勵下不同振動方向的位移極值響應(yīng)，結(jié)果見圖6，由圖6可看出，單向地震波輸入時，壩頂X向的位移在4=0時最大(為0.0405m)，雙向地震波輸入時，壩頂X向的位移在4=30時最大(0.0491m)，為單向輸入時的1.21倍;雙向輸入地震波時，壩頂Y向最大位移為0.1919m，比1入最大值(0.1636m)大17.30%。可見，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)對比圖7為單向及雙向地震波激勵下不同振動方向壩基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分別在4=0"、30時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，雙向地震波輸入時壩基Y向最大位移為B點(diǎn)4--400處。總體來看，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.對比單雙向地震激勵的情況，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.對壩體的上下游及壩基輸入不同激勵的地震波，單向輸入時，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，地震響應(yīng)極值與地震波輸入時繞拱壩坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)的振動角度有關(guān)，最不利輸入角度處于-40~-90之間。
c.在高拱壩抗震設(shè)計與安全評價中，只考慮單向地震波輸入的影響會低估壩體的破壞效應(yīng)，往往在高地震烈度地區(qū)發(fā)生潛在危險的可能性更大，結(jié)果可為后續(xù)其他類似工程的設(shè)計與計算提供參考。
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
