高拱坝地震损伤开裂的大型数值模拟

论文摘要

围绕西部大开发的战略决策,实施西电东送,多座高坝大库在西南地区进行建设。其中拱坝坝型得到广泛采用。鉴于西部强震区拱坝抗震安全的重要性,本文依托国家自然科学基金重点项目（50139010）和（90510018）,针对强震区高拱坝抗震安全的大规模数值模拟进行了深入的研究。1.高拱坝在强震作用下可能出现损伤、产生裂缝,对高拱坝进行全面的抗震安全评价应考虑这种非线性行为。混凝土在细观尺度上是非均匀的,细观非均匀性已成为研究混凝土结构损伤开裂的一个突破口。对高拱坝来说,无法也无必要精确界定这种非均匀性。在将拱坝有限元网格足够细分的前提下,近似认为单元内部为均匀材料,细观不均匀性的影响通过单元的材料属性随机分布来表征。同时,单元尺寸足够小时,塑性和各向异性等被弱化,采用弹性损伤本构关系和带拉伸截断的摩尔-库仑准则来模拟混凝土的非线性行为。对大岗山拱坝的地震损伤破坏模拟获得了和振动台模型试验吻合的结果,证明了该数值模型的有效性。同时,这种模型实施方便、计算效率高,便于大规模计算,而且可模拟拱坝从出现微裂缝到出现宏观裂缝的过程。在此基础上,研究了拱坝横缝以及无限地基辐射阻尼对拱坝损伤破坏的影响。2.目前可用于三维高拱坝大规模高效数值模拟的拱坝-地基相互作用方法少见。Wolf和Song提出的阻尼溶剂抽取法通过在近场地基有限域内施加人工阻尼再移频抽取的方法,模拟无限地基辐射效应。该方法避免了卷积,具有应用于大规模计算的潜力。然而,目前该方法在相互作用中的应用仅限于二维问题,且计算效率低、计算容量小。本文将该方法推广至三维,并在算法和矩阵存储格式方面进行了专门研究,建立了针对大规模计算的高拱坝-无限地基动力相互作用时域模型。对该模型进行了算例验证并建议了参数取值:dl/b=1～1.5及l=2～3b。其中b为基础特征尺寸,l为地基模拟范围,d为施加的无量纲人工阻尼。该模型在高拱坝地震损伤破坏模拟中的应用表明,考虑无限地基辐射阻尼后,拱坝损伤破坏情况明显减轻。3.有限元大规模分析中,若计算能力有限,可根据计算要求在有限元模型内布置疏密不等的网格,并采用特定的网格过渡技术来保证交界面处的协调性。本文提出了三种疏密网格过渡的方法。弹簧节理单元为在界面过渡单元的基础上,引入虚拟节点和子单元,在子单元中应用节理单元思想,并将虚拟节点凝聚掉,可保证界面两侧的位移和应变协调。主从自由度法是通过将界面非协调节点的位移表示成协调节点位移的函数,从而将非协调节点凝聚掉,可保证界面两侧的位移协调和刚度匹配。新型十三节点单元通过将母单元积分域分成四个子域,构造线性插值函数,然后分别在四个子域中进行数值积分,完全消除了普通变节点单元界面位移不协调的缺陷。三种模型的精度及实用性均经过验证,其中新型十三节点单元还应用于考虑无限地基辐射阻尼的高拱坝地震损伤破坏分析。4.大型工程项目如高拱坝的快速精细大规模数值模拟对计算能力和速度提出了越来越高的要求,另一方面物理光速的限制以及Von Neuman体系本身的瓶颈使得串行计算机的发展不能满足需求。采用高性能并行计算是解决这一矛盾的根本途径。本文采用4台普通微机和高速网络,搭建了PC集群作为并行计算平台。并针对高拱坝的地震损伤破坏模拟,在Linux系统下研制开发了基于区域分解法和消息传递MPI库的并行计算程序PDPAD。该程序在测试中表现出了良好的可扩展性和加速比,具有高效求解大规模问题的能力。目前在4节点PC集群上已达到百万自由度的计算能力,而且在实际高拱坝的地震损伤破坏数值模拟中表现良好。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1.绪论
• 1.1 引言
• 1.2 拱坝动力分析发展历程、研究现状及面临的主要问题
• 1.2.1 坝与无限地基动力相互作用
• 1.2.2 混凝土拱坝的非线性地震响应与地震损伤发展的数值模拟
• 1.2.3 大坝-地基系统的高性能仿真计算
• 1.3 本文主要工作
• 2 拱坝地震损伤破坏研究
• 2.1 拱坝地震损伤破坏数值模拟研究
• 2.2 混凝土损伤的计算模型
• 2.2.1 损伤力学和细观力学基本理论及现状
• 2.2.2 宏观均质假定基础上考虑细观不均匀性的拱坝损伤破坏模型
• 2.3 工程算例的背景及模型动力破坏试验
• 2.3.1 工程背景
• 2.3.2 振动台模型试验
• 2.4 数值模拟与模型试验结果对比
• 2.4.1 模型试验结果
• 2.4.2 数值模拟结果
• 2.5 横缝效应初步研究
• 2.6 本章小结
• 3 考虑结构-地基动力相互作用的高拱坝损伤破坏
• 3.1 基于阻尼抽取法的地基时域计算模型及动力相互作用数值分析的实现
• 3.1.1 阻尼抽取法基本原理
• 3.1.2 结构-地基系统基本运动方程
• 3.1.3 时域递归算法
• 3.1.4 三维地基时域模型的数值验证
• 3.2 考虑拱坝-地基动力相互作用的拱坝地震损伤破坏模拟
• 3.2.1 拱坝地震损伤破坏模拟中考虑相互作用的必要性
• 3.2.2 计算流程
• 3.2.3 计算模型及结果
• 3.3 本章小结
• 4 拱坝-地基系统的高性能计算
• 4.1 有限元疏密网格过渡
• 4.1.1 弹簧节理单元
• 4.1.2 主从自由度法
• 4.1.3 十三节点单元
• 4.1.4 数值验证
• 4.1.5 工程应用
• 4.2 高性能并行计算
• 4.2.1 高性能计算平台
• 4.2.2 有限元程序自动生成系统FEPG
• 4.2.3 计算流程
• 4.2.4 并行加速比和效率测试
• 4.2.5 大岗山拱坝-地基系统地震损伤破坏并行计算
• 4.3 本章小结
• 5 结论与展望
• 5.1 全文工作总结
• 5.2 下一步工作展望
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间参与的课题及发表的相关学术论文
• 致谢