【摘要】：對我國西部強震區(qū)建設的超高面板壩而言,合理地評價混凝土面板的抗震性能是面板壩可行性研究與抗震設計的重要環(huán)節(jié)。因此,在進行動力數(shù)值分析時,有必要對面板實施較為精細的模擬,而其中一個需要考慮的重要影響因素就是動水壓力。現(xiàn)有的面板壩三維動力流固耦合分析一般不考慮庫底與岸坡振動所激發(fā)的動水壓力,即不能精確計算動水壓力,并且對于250m～300m級面板壩,忽略動水壓力是否可行仍有待研究,現(xiàn)有成果難以滿足地震條件下高面板壩的安全評價要求。水工抗震規(guī)范所推薦的Westergaard簡化方法具有諸多的局限性、不能精確地計算壩前動水壓力,有必要采用精確的動水壓力計算方法對Westergaard簡化方法可能造成的誤差進行細致的分析。在大壩與庫水動力相互作用分析中,采用比例邊界有限元方法(SBFEM)、有限元法(FEM)或邊界元法(BEM)等數(shù)值方法處理不可壓縮庫水動水壓力時得到的附加質(zhì)量陣為滿陣,當耦合系統(tǒng)自由度數(shù)達到一定的規(guī)模時,尤其對于具有較強非線性(彈塑性大壩)的數(shù)值計算,求解方程消耗了大量的計算時間。而且,當進行面板壩與可壓縮庫水系統(tǒng)的動力流固耦合分析時,頻率無關的波能吸收邊界的工程應用適用性也需要進一步討論。針對上述問題,本文在前人研究成果的基礎上,采用近年興起的SBFEM模擬壩前庫水,圍繞地震條件下面板壩與庫水非線性體系的動力流固耦合分析展開深入系統(tǒng)的研究。主要工作如下:(1)采用SBFEM模擬壩前棱柱形半無限域庫水、FEM離散非線性壩體,建立基于FEM-SBFEM的面板壩-庫水時域非線性動力流固耦合分析方法。研究地震條件下動水壓力對混凝土面板動力響應的影響,揭示了壩前動水壓力的分布規(guī)律及其對面板動應力的影響機理,即動水壓力主要通過改變面板與堆石體之間的摩擦力來影響面板動應力。針對目前廣泛應用的Westergaard集中附加質(zhì)量法的局限性,研究其對面板動應力造成的誤差,闡明了傳統(tǒng)的Westergaard方法的誤差機理,即面板的順坡向動應力的誤差主要由面板所受摩擦力的誤差和集中附加質(zhì)量的順坡向(切向)力作用兩個方面造成的。(2)采用SBFEM離散壩前復雜形狀的有限域庫水模型,提出了可考慮壩前三維復雜庫區(qū)形狀的壩前動水壓力計算方法,驗證了該方法的精度。并用該方法建立了面板壩-復雜形狀有限域庫區(qū)系統(tǒng)的動力耦合分析方法,對比分析不同庫區(qū)形狀(狹窄的拐彎河谷與棱柱形河谷)對面板動力特性的影響,同時驗證棱柱形庫區(qū)的動水壓力計算方法對狹窄拐彎庫水域的適用性。(3)大壩-地基網(wǎng)格跨尺度分析系統(tǒng)的壩體迎水面可能出現(xiàn)多邊形網(wǎng)格,傳統(tǒng)動水壓力方法(三邊形或四邊形網(wǎng)格)不能直接用于此系統(tǒng)的動力流固耦合分析,需要對壩體迎水面的網(wǎng)格進行二次處理(增加了繁瑣的工作)�；赟BFEM理論和多邊形平均值形函數(shù),構造了適用于棱柱狀半無限域庫區(qū)和三維復雜形狀有限域庫區(qū)的兩種多邊形流體單元,分別提出了基于SBFEM多邊形單元的棱柱狀半無限域庫區(qū)和三維復雜形狀有限域庫區(qū)兩種動水壓力計算方法,驗證了兩者的精度,彌補了具有多邊形網(wǎng)格的動水壓力計算模型方面的空缺。將兩種動水壓力計算方法與已有的大壩(網(wǎng)格跨尺度)分析系統(tǒng)相耦合,建立了面板壩與庫水系統(tǒng)網(wǎng)格跨尺度動力流固耦合非線性分析方法。針對壩前棱柱形半無限域庫區(qū),通過該計算模型分析了地震條件下動水壓力對面板壩的堆石體動力反應的影響;針對復雜形狀有限域庫區(qū),采用多邊形網(wǎng)格跨尺度離散庫水,減少了庫水自由度、提高效率,并驗證了該耦合方法的精度。(4)采用基于SBFEM的棱柱形半無限域可壓縮庫水模型計算動水壓力,并將該模型與面板壩有限元模型耦合,建立了基于FEM-SBFEM的面板壩-半無限域可壓縮庫水非線性動力時域耦合分析方法,分析了庫水可壓縮性對壩前動水壓力分布和面板壩動力響應的影響。此外,對于可壓縮庫水計算模型,采用截斷頻率的方式,降低了頻域求解的計算量,改進了可壓縮庫水的動水壓力計算方法,進而建立了改進的面板壩與可壓縮庫水動力耦合非線性分析方法,并驗證了精度。對于庫區(qū)沉積層,還探討了與頻率無關的波能吸收模型的工程應用適用性,建議在進行面板堆石壩工程動力抗震分析時,采用不可壓縮庫水模型來計算壩前動水壓力。(5)對于不可壓縮庫水模型,采用化簡附加質(zhì)量陣的方式在保證精度的前提下提高計算效率,建立了高效的大壩-庫水動力流固耦合簡化分析方法,驗證了該方法的精度。采用面向?qū)ο笤O計方法,在GEODYNA軟件平臺二次開發(fā)了基于SBFEM的等參/多邊形庫水單元,實現(xiàn)了基于FEM(或SBFEM)-SBFEM的大壩和地基-庫水系統(tǒng)(網(wǎng)格跨尺度)動力相互作用的高性能精細化分析,并應用于實際面板壩工程的分析,結果表明Westergaard集中附加質(zhì)量方法會對面板順坡向應力造成很大的誤差,在面板壩工程抗震設計和研究中,應采用更精確動水壓力計算方法來更合理地評價其抗震性能。
【學位授予單位】：大連理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TV312
【圖文】：

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本文編號：2779564