考虑坝体—库水—地基相互作用的有横缝拱坝地震响应分析

论文摘要

混凝土拱坝在施工过程中为了施工方便和温度应力控制的需要，坝体通常分段浇筑，各坝段间横向设置伸缩缝。在地震荷载作用下横缝的张开、闭合和滑移过程会显著地引起坝体拱向应力的释放和导致应力从拱向向梁向的调整和重新分布，对高拱坝的地震响应有着重大影响。对高拱坝的抗震安全性评价具有重要意义的另外两个影响因素是坝体和库水的动力相互作用以及无限地基的辐射阻尼效应。本文的目的是建立一套能够综合考虑影响拱坝地震响应的三个重要因素的拱坝非线性地震反应数值分析方法，其主要研究内容如下： 1、针对有横缝高拱坝的非线性静、动摩擦接触问题，提出一种新的接触算法—有限元混合法。该方法将作用在接触体上的力系分解为外力和接触缝面上的接触力，把接触体的位移和接触界面上的接触力作为混合变量，其中以接触体的位移为基本未知量，而以接触区域局部坐标系下的结点接触力为迭代变量，将非线性接触迭代收缩在接触面上进行，将复杂的摩擦接触非线性反映在接触力的变化上，同时进行接触状态和接触力的迭代，使得迭代计算变得简单易行，大大提高了计算效率。 2、讨论了坝体和库水流固耦合动力相互作用的数值分析方法，建立一种适当简化而又不失准确性的模拟库水动水压力的计算方法。首先介绍了基于改进Wilson-θ法的流固耦合迭代算法，然后给出本文提出的两种基于广义Newmark-β法的流固耦合方程的求解方法：交错迭代求解方法和直接积分整体求解方法。并讨论了影响坝面动水压力的几个因素，指出坝体和库水之间的相互作用是一个复杂的耦合系统，动水压力对坝体动力响应的影响不能仅仅用作用在坝面上动水压力的最大值来衡量。 3、将多次透射人工边界条件和隐式有限元相结合，并将其和摩擦接触问题的有限元混合法、坝体-库水动力相互作用分析方法一起应用于高拱坝的非线性地震反应分析中，提出了一套较为准确、高效地模拟强震作用下考虑坝体-库水-地基动力相互作用的有横缝拱坝非线性行为的分析方法，开发了相应的计算软件GEHOMadrid。 4、将本文提出的有横缝拱坝非线性地震反应分析方法应用于乌东德拱坝中，按照实际间距和条数模拟横缝的非线性特性，同时考虑坝体-库水-地基的相互作用，得出了许多有价值的成果，为实际工程设计提供了合理、科学的依据和参考，对坝体非线性地震反应的影响因素进行了深入分析，得出了一些有重要意义的结论。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第1章 绪论
• 1.1 拱坝建设的历史与现状
• 1.2 拱坝的结构特点与接缝构造
• 1.3 拱坝抗震安全性研究综述
• 1.3.1 研究的必要性
• 1.3.2 有横缝高拱坝动力分析研究进展
• 1.4 接触问题研究综述
• 1.4.1 发展历史简介
• 1.4.2 数值模拟方法
• 1.5 坝体-库水动力相互作用分析综述
• 1.6 坝体-地基动力相互作用数值模拟研究综述
• 1.6.1 地震荷载的输入机制
• 1.6.2 无限地基的数值模拟方法
• 1.7 本文的主要研究内容
• 第2章 有初始间隙摩擦接触问题的有限元混合法
• 2.1 引言
• 2.2 接触问题的力学模型
• 2.2.1 基本假定
• 2.2.2 接触模型的定义
• 2.2.3 接触状态的界定
• 2.2.4 接触界面条件
• 2.3 接触问题求解的一般过程
• 2.4 静力接触问题的有限元混合法
• 2.4.1 有限元格式
• 2.4.2 迭代求解步骤
• 2.4.3 数值算例
• 2.5 动力接触问题的有限元混合法
• 2.5.1 有限元格式
• 2.5.2 迭代求解步骤
• 2.5.3 数值算例
• 2.6 多条接触缝面接触问题的处理方法
• 2.7 小结
• 第3章 坝体—库水动力相互作用分析
• 3.1 引言
• 3.2 水体附加质量的有限元简化模型
• 3.2.1 韦斯特伽特附加质量公式
• 3.2.2 广义韦斯特伽特附加质量公式
• 3.3 坝体-库水动力相互作用系统的耦合方程
• 3.3.1 流体运动方程的建立
• 3.3.2 流体域的有限元离散格式
• 3.3.3 坝-库流固耦合系统有限元方程
• 3.4 流固耦合方程的求解方法
• 3.4.1 积分格式和求解方案的选择
• 3.4.2 求解方法（一）—基于改进Wilson-θ法的流固耦合迭代算法
• 3.4.3 求解方法（二）—基于广义Newmark-β法的交错迭代法
• 3.4.4 求解方法（三）—基于广义Newmark-β法的整体求解法
• 3.4.5 数值算例
• 3.5 溪洛渡拱坝坝-库流固耦合系统的动力响应计算分析
• 3.5.1 基本数据及计算模型
• 3.5.2 各种求解方案计算效率的比较
• 3.5.3 坝面动水压力的影响因素讨论
• 3.5.4 水体可压缩性对坝体地震反应的影响
• 3.6 小结
• 第4章 无限地基中波动数值模拟的动力人工边界
• 4.1 引言
• 4.2 人工边界条件简介
• 4.2.1 全局人工边界条件
• 4.2.2 局部人工边界条件
• 4.3 粘弹性人工边界条件
• 4.3.1 粘弹性人工边界条件的建立
• 4.3.2 波动输入方法
• 4.4 多次透射人工边界条件
• 4.4.1 多次透射公式的导出
• 4.4.2 多次透射公式的有限元数值实现
• 4.4.3 稳定措施的实现方法
• 4.5 两种边界条件的程序验证及在拱坝动力分析中的应用和比较
• 4.5.1 程序验证
• 4.5.2 在拱坝动力分析中的应用和比较
• 4.6 小结
• 第5章 乌东德拱坝非线性地震反应分析
• 5.1 引言
• 5.2 有横缝高拱坝非线性地震反应分析方法
• 5.2.1 静动组合计算处理方法
• 5.2.2 有缝拱坝坝前水体有限元模型处理方法
• 5.2.3 考虑坝体-库水-地基相互作用的有横缝拱坝地震反应分析方法
• 5.3 工程概况与计算条件
• 5.3.1 工程概况
• 5.3.2 基本计算参数
• 5.3.3 有限元模型和计算工况
• 5.4 静力计算成果分析
• 5.4.1 静力反应成果
• 5.4.2 横缝初始间隙对坝体静态反应的影响
• 5.4.3 横缝抗拉强度对坝体静态反应的影响
• 5.4.4 小结
• 5.5 动力计算成果分析
• 5.5.1 应力和位移成果
• 5.5.2 横缝最大张开度
• 5.5.3 不同接触问题计算方法的计算效率比较
• 5.6 坝体非线性地震反应的影响因素分析
• 5.6.1 横缝非线性的影响
• 5.6.2 库水动水压力的影响
• 5.6.3 地基辐射阻尼的影响
• 5.7 小结
• 第6章 总结与展望
• 6.1 总结
• 6.2 主要创新点小结
• 6.3 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读博士学位期间论文完成情况