混凝土面板堆石坝非线性有限元动力分析

论文摘要

混凝土面板堆石坝由于具有安全可靠、经济实用、变形适应性强、抗震性能好等优点,成为我国坝工建设的推广坝型之一。本课题结合福建仙游抽水蓄能混凝土面板堆石坝上库工程,自主开发了面板坝三维非线性有限元动力分析程序,对面板坝在地震作用下的稳定性响应规律进行了初步研究,为面板堆石坝的抗震设计与实际施工提供合理的理论依据与技术支持。论文完成的主要研究内容如下：1、广泛阅读并分析了国内外有关混凝土面板堆石坝地震动力分析的文献资料,对面板堆石坝静、动力分析的研究现状进行了综述。详细介绍了面板坝静、动力有限元分析的基本原理。2、用FORTRAN语言编制了计算面板堆石坝地震作用动力分析的三维非线性有限元时程分析法程序CFRDDYNA.F。堆石料的动力本构模型采用等价粘弹性模型；残余变形的模式采用沈珠江模型；动水压力采用坝水相互作用的附加质量矩阵法；采用大时段与小时段结合的方法求解非线性动力方程,每一小时段采用Wilson-θ法求解并进行迭代,直至前后两次计算的基频充分接近为止。3、对人工合成地震波进行了深入研究,提出了在合成地震波时,采用理论解和数值解相结合的方法应用于幅值谱修正中各频率分量对反应谱贡献的计算,确保了幅值谱大小调整的正确性,提高了人工地震波迭代计算的数值稳定性和收敛性。此外,对迭代过程中产生的地震波进行最小二乘法校正,并对校正后的标准地震波进行归一化处理,消除了人工地震波速度和位移时程的漂移现象。4、根据福建仙游抽水蓄能面板堆石坝上库工程的具体情况,选取典型坝段建立三维有限元模型,对该坝段进行三维非线性静力分析,得出典型坝段在施工期和蓄水运行期的应力、变形分布规律。5、对典型坝段进行动力分析,得出：地震过程中坝体的最大加速度分布,面板的应力、变形最大值分布,周边缝的最大变位分布,面板抗震稳定最小安全系数时程曲线,上、下游坝坡抗震稳定最小安全系数时程曲线和震后的永久变形分布。6、根据上述计算成果,对仙游面板堆石坝上库工程的抗震安全性进行评价,得出其基本满足抗震稳定性要求的结论。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 论文提出的背景和意义
• 1.1.1 地震影响
• 1.1.2 混凝土面板堆石坝的发展状况
• 1.1.3 论文研究意义
• 1.2 研究现状综述
• 1.2.1 静力分析研究
• 1.2.2 动力分析研究
• 1.2.3 坝坡抗震稳定性研究
• 1.3 研究方法与技术路线
• 1.4 研究内容与本文的主要工作
• 第二章 面板堆石坝三维静力分析方法
• 2.1 有限元基本原理
• 2.1.1 位移模式与坐标变换式
• 2.1.2 应变转换矩阵
• 2.1.3 应力转换矩阵
• 2.1.4 单元刚度矩阵
• 2.2 单元静力数学模型
• 2.2.1 堆石料单元数学模型
• 2.2.2 接触面单元数学模型
• 2.2.3 连接单元数学模型
• 2.2.4 局部坐标和整体坐标转换
• 2.3 整体平衡方程及解法
• 2.3.1 整体平衡方程
• 2.3.2 中点增量法
• 2.4 初始应力
• 2.4.1 实体单元初始应力
• 2.4.2 接触面单元初始应力
• 2.5 静力程序流程简图
• 2.6 本章小结
• 第三章 面板堆石坝三维动力分析方法
• 3.1 堆石体动力本构模型
• 3.2 接触面动力模型
• 3.3 连接单元动本构模型
• 3.4 混凝土动本构模型
• 3.5 动水压力计算方法
• 3.6 地震残余变形计算方法
• 3.6.1 沈珠江残余应变模型
• 3.6.2 基于等效节点力法的残余应变模型计算方法
• 3.7 三维非线性动力反应分析方法
• 3.7.1 动力基本方程
• 3.7.2 Wilson-θ法
• 3.8 三维动力有限元永久变形计算步骤
• 3.9 本章小结
• 第四章 面板堆石坝抗震稳定性分析方法
• 4.1 抗震稳定性分析方法
• 4.1.1 坝体单元抗震安全性分析方法
• 4.1.2 面板抗震稳定性分析方法
• 4.1.3 坝坡动力有限元抗滑稳定性分析方法
• 4.2 边坡地震稳定性评价指标
• 4.2.1 最小安全系数法
• 4.2.2 动平均安全系数法
• 4.2.3 最小平均安全系数法
• 4.3 稳定性程序说明
• 第五章 人工地震波合成
• 5.1 引言
• 5.2 人工合成地震动的工程方法及相关参数选取
• 5.2.1 基本理论
• 5.2.2 强度包络模型
• 5.2.3 加速度反应谱
• 5.2.4 标准地震波
• 5.3 初始波的修正方法
• 5.3.1 功率谱的修正
• 5.3.2 幅值谱的修正
• 5.3.3 幅值谱修正的改进
• 5.3.4 人工地震波的最小二乘法校正和标准波的归一化处理
• 5.4 计算程序的特点、流程及工程算例
• 5.4.1 计算程序的特点
• 5.4.2 计算程序流程图
• 5.4.3 工程算例
• 5.5 本章小结
• 第六章 工程实例
• 6.1 工程概况
• 6.2 网格建立
• 6.3 静力计算模型及参数
• 6.4 静力计算结果
• 6.4.1 坝体的变形
• 6.4.2 坝体的应力
• 6.4.3 面板的变形和应力
• 6.4.4 周边缝的位移
• 6.4.5 静力计算成果汇总
• 6.5 动力计算模型及参数
• 6.6 输入地震波
• 6.7 动力计算结果
• 6.7.1 坝体动位移
• 6.7.2 坝体动加速度
• 6.7.3 坝体动应力
• 6.7.4 面板动位移
• 6.7.5 面板动应力
• 6.7.6 周边缝动位移
• 6.7.7 坝体震后残余变形
• 6.7.8 坝体抗震稳定性
• 6.7.9 大坝抗震安全性评价
• 6.8 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历
• 在读期间的科研成果及发表的学术论文