基于ABAQUS的混凝土重力坝地震响应仿真分析

论文摘要

混凝土重力坝是一种应用极为广泛的重要坝型,其横缝的存在削弱了混凝土重力坝的整体刚度,在地震载荷作用下,其常会导致在大坝上部出现贯穿性的裂缝。强震作用下有横缝混凝土重力坝的动力响应是一个复杂的非线性过程,受到很多因素的影响,比如地震波、边界条件、库水动水压力等。为了全面系统地了解地震作用下混凝土重力坝的动力响应规律,为工程设计提供一定的参考,论文以存在多条横缝的三维整体坝体为对象,应用有限元软件ABAQUS在时域内以显式有限元方法对动力方程进行求解,进行了地震响应仿真计算方法的研究,分析了横缝对重力坝自振特性和地震响应的影响,探索了高效率和高精度的混凝土重力坝模态分析与地震响应分析的仿真方法。本文主要开展了以下几个方面的工作：(1)设计了六种计算模型,就横缝、库水以及坝体与坝基山岩之间交互作用方式对混凝土重力坝自振特性的影响进行了研究。计算结果表明：横缝削弱了坝体的刚度,表现为固有频率增大,其中基频增幅最为明显；考虑库水影响时系统的质量增大,坝体自振频率较空库模型有所降低,而其对基频的影响最为显著；按照接触考虑大坝与地基及两侧山岩的相互作用时,刚度降低,导致自振频率较按固连考虑时小。(2)按照是否考虑横缝以及模拟横缝的不同仿真方法设计了四种算法,分别对混凝土重力坝进行了地震响应分析,研究了采用不同的仿真算法时重力坝动位移、横缝法向张开度、动应力以及加速度响应的变化规律,探索了更符合现实的混凝土重力坝地震响应仿真计算方法。研究表明：分缝模型的动力响应明显大于不考虑横缝影响的整体模型,尤以横河向的动力响应增幅最为明显,表明横缝在混凝土重力坝地震响应仿真计算中的影响不容忽视；而对考虑横缝时的几种不同的仿真方法进行比较后,发现：按照单一坝段进行地震分析时的动力计算结果偏大；对于分别以接触与Cohesive单元模拟坝段之间的相互作用的模型,发现前者的计算结果大于后者,而后者由于模拟了真实的横缝材料,并考虑了法向拉应力,更符合现实情况。(3)应用ABAQUS中的子模型有限单元技术,对混凝土重力坝进行了在重力作用下的静力分析,改进了仿真方法,实现了高效和高精度的目的。并尝试将此方法运用于混凝土重力坝的地震响应分析中,虽然大大地节约了计算CPU时间,但误差较大,相信采用子程序或与其他第二方软件的相结合,可以实现子模型技术在重力坝地震响应分析中的应用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 选题的目的与意义
• 1.1.1 混凝土重力坝的工作特点
• 1.1.2 混凝土重力坝分缝
• 1.1.3 混凝土重力坝抗震分析的必要性
• 1.2 国内外研究现状
• 1.2.1 坝址地震动输入机制
• 1.2.2 动水压力的计算方法研究
• 1.2.3 大坝抗震分析中对地基的模拟
• 1.2.4 考虑横缝影响时混凝土重力坝地震响应的有限元仿真方法
• 1.3 本文主要的研究内容
• 第二章 结构地震响应计算基本理论
• 2.1 地震作用的基本理论
• 2.1.1 静力理论
• 2.1.2 定函数理论
• 2.1.3 反应谱理论
• 2.1.4 直接动力分析理论
• 2.2 结构地震振动方程
• 2.2.1 单自由度体系振动方程
• 2.2.2 多自由度体系振动方程
• 2.3 线性振动微分方程求解
• 2.3.1 正则坐标和振型参与系数
• 2.3.2 多自由度体系有阻尼时的地震反应计算
• 2.3.3 抗震设计反应谱
• 2.3.4 振型分解反应谱法
• 2.4 非线性振动微分方程求解
• 2.4.1 时程分析法概述
• 2.4.2 常用的逐步积分数值解法
• 2.4.3 时程分析法中地震波的分类与选取
• 2.4.4 阻尼矩阵
• 2.5 本章小结
• 第三章 基于ABABQUS的混凝土重力坝自振特性仿真计算
• 3.1 有限元法与ABAQUS简介
• 3.1.1 有限元法概述
• 3.1.2 ABAQUS简介及分析步骤
• 3.1.3 动力学显式有限元方法
• 3.1.4 ABAQUS中的接触分析
• 3.1.5 声学单元
• 3.1.6 Cohesive单元
• 3.2 模态计算概况
• 3.2.1 材料参数
• 3.2.2 模型设计与对应仿真技术
• 3.2.3 有限元计算模型
• 3.3 混凝土重力坝模态计算结果与分析
• 3.3.1 振型计算结果
• 3.3.2 自振频率计算结果
• 3.3.3 结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 混凝土重力坝地震响应仿真计算方法研究
• 4.1 引言
• 4.2 混凝土重力坝地震响应分析概况
• 4.2.1 计算参数
• 4.2.2 仿真方法
• 4.2.3 计算模型
• 4.3 混凝土重力坝地震响应计算结果与分析
• 4.3.1 动位移计算结果与分析
• 4.3.2 横缝开度计算结果与分析
• 4.3.3 动应力计算结果与分析
• 4.3.4 加速度计算结果与分析
• 4.4 本章小结
• 第五章 子模型技术在重力坝分析中的应用
• 5.1 引言
• 5.2 ABAQUS子模型技术简介
• 5.1.1 子模型技术基本概念
• 5.1.2 子模型网格
• 5.1.3 子模型分析基本步骤
• 5.3 利用子模型技术对重力作用下的重力坝进行响应分析
• 5.3.1 计算过程
• 5.3.2 结果分析
• 5.4 本章小结
• 第六章 结论与展望
• 6.1 结论
• 6.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介及攻读硕士期间的项目情况