非一致地震作用下高坝-复杂地基体系动力响应分析.pdf
《非一致地震作用下高坝-复杂地基体系动力响应分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《非一致地震作用下高坝-复杂地基体系动力响应分析.pdf(13页珍藏版)》请在文库网上搜索。
1、 年 月水利学报 第 卷第 期文章编号:()收稿日期:;网络首发日期:网络首发地址:?基金项目:国家自然科学基金项目();国家自然科学面上基金项目();天津大学自主创新基金项目()作者简介:张佳文(),博士生,主要从事水工结构抗震研究。:通信作者:李明超(),教授,主要从事水利工程仿真与安全研究。:非一致地震作用下高坝 复杂地基体系动力响应分析张佳文,李明超,韩帅,闫文钰,张敬宜(天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室,天津 ;香港理工大学 智能建造实验室,香港 )摘要:地震波场的构建与输入是高坝抗震分析的关键。本文提出了一种适用于三维成层场地的自由波场时域化求解方法,并在此基础上建立了远
2、置层界面模型以分离上行和下行波场,以解决不规则场地和断层分布等复杂地质条件;进而结合不同波型的连续性特征与振动特性,利用几何推导将单列节点位移推广至整个空间场地,以提高计算效率;并采用改进的波动输入方法将复杂波场转换为地基边界上的等效节点力。本文重点研究了精细化的三维高坝地基体系在垂直和倾斜入射 波作用下的动力响应,并与均质地基条件下的结果进行对比。结果表明:非一致地震波作用下坝体结构动力响应的空间差异性显著,坝顶不同位置的位移极值响应可相差至 ;波倾斜入射时坝体振动响应远大于垂直入射的情况,位移极值可相差 倍,高应力区时段相差较大,且整个体系的拉裂破坏范围更广;复杂地质条件会加剧坝体的损伤情
3、况,且对较大应力区的产生时间与分布情况有显著影响。研究结果证实了综合考虑地震波的非一致特性与场地地质条件的必要性,可为其他大型工程结构抗震响应分析提供参考。关键词:高坝 复杂地基体系;非一致地震波场;行波效应;斜入射地震波;动力响应;并行计算中图分类号:;文献标识码:?研究背景我国西南部强震区水能资源丰富,高坝等大型水工建筑物的抗震安全工作面临着十分严峻的挑战 。目前以地震动输入机制、结构 地基体系动力响应、体系材料动态抗力三者相配套的综合评价体系已形成共识,但在地震输入机制方面还存在两点不足 :()对于地震传播过程的模拟过于简化,未能考虑地震动传播方向与空间非一致特性。随着全球地震数据库的不
4、断丰富,以及对震害实例的深入研究,由地震动非一致性引发的诸多问题引起了工程抗震领域的重视 。由地震幅值、能量持时与频谱特性不同所造成的影响体现在结构物振动的空间差异性上 ,而传统的一致激励输入方法难以反映真实情况。()对场地条件考虑不够全面。多项研究证明了不规则地形特征 、断层与小裂隙分布 、地基参数的成层特性 对地震波传播带来的影响,且大多数是增强地震动的破坏作用。因此综合考虑这两方面,研究复杂场地条件下非一致地震波场的模拟与输入成为现阶段备受关注的难点问题。波场构建分为解析法和数值模拟法:解析方法的核心思路是对传递函数加权叠加以得到输入位移场 ,规则均质场地内由非一致激励的 波、波和 波引
5、发的地震波场求解较为成熟,但解析方法受限于规则的场地形状和简单的材料参数;适配于各类大型软件的数值模拟方法则适用范围更广,因此各类基于有限元法、有限差分法和边界元法等的研究成为复杂场地地震波场计算的主流趋势。此外,受局部地形条件及上部结构物引发的散射问题等影响,全域波场无法统一计算的问题逐渐被重视。李山有等 、顾亮等 、赵密等 、等 和张佳文等 采用数值模拟与理论推导结合的手段,将斜入射地震波场计算推广至二维成层不规则场地中,但所研究的场地类型和地震的传播种类仍需丰富。大多数坝基相互作用体系振动分析中,地基大多被简化为规则均质弹性体,均质地基上的重力坝 、拱坝 、土石坝 、面板心墙坝 等在非一
6、致地震下的动力响应有较多规律性的总结。近年来发展了一批可以较好反映地基情况的计算模型。如坝体 层状地基体系在非一致地震波作用下的动力响应研究已较为成熟 。等 则采用域折减法分析了重力坝体层状地基体系在垂直传播地震作用下的响应。等 通过推导地震波系数和相位的变化,提出了复杂分层场地等效载荷输入模式的改进方法。等 模拟了重力坝 分层地基体系在任意入射角地震作用下的响应。然而,目前研究对局部地形和断层分布等产生的地震散射问题考虑不足,尚不能进行三维结构 复杂场地的动力响应分析。本文结合理论推导与数值计算,提出一种三维成层地基中非一致地震波场的时域化构建方法,以求解复杂场地的波场;并改进了一种高效的波
7、动方法将复杂的地震波场转换为等效荷载力以完成输入。最后以西南强震区某高坝 复杂地基体系为研究对象,分析其在非一致地震动输入下的动力响应。非一致地震波场时域化构建方法 自由波场求解图 为岩石地基半空间内斜入射 波、波和 波的传播方式,从无限地基内截取近场有限域作为动力分析部分。其中 点为地基有限域的表面中点;、和 为同一组波型的振动起始点;点为空间内任意点;、和 分别为 波、波和 波的入射角度与相对应的反射角度。由于地震波经过地表面或异种介质交界处时会产生挤压与剪切作用,场地内任意点的位移为各类入射波和反射波的叠加值。图 斜入射地震波的传播方式图 ()为近域地基的有限元离散模型,其底部截断部分采
8、用应力型人工边界,水平和竖向网格尺寸分别为 和 ,图中 和 表示节点坐标,和 代表不同的层数,地震波从底部点(,)进行斜入射。如图 ()所示,遵循 定律 ,同一场地条件下所有入射和反射地震波的水平视波速均相等(式(),其中 和 分别为地震波的传播速度与水平视波速,为地震波入射角度。设入射地震波经过 距离的时间为 ,层状地基内非一致地震动场 可表示为式():()?()(槡)?(槡)()(,)(,)()式中:和 为 波和 波的传播速度;下标 和 分别代表入射波和反射波;为弹性介质的弹性模量;为泊松比;为介质的密度。每层的波速需要分别计算并构建出动力矩阵方程。按照边界条件的不同,图 中 轴上的节点可
9、图 层状岩石地基有限元离散模型及波速间的关系分为三类:自由表面点(,)、中部节点(,)和底部边界节点(,)。结合式()中的传播规律并将位移用中心差分法重新表示,当平面内 波或 波入射时,时刻层状地基体系的运动方程为:,(),(),(),(),(),(),(),(,),(),(),(),(),()()()式中:、分别为节点的质量、阻尼、刚度矩阵,下标为节点坐标;和 分别为阻尼系数和底部应力型边界的集中荷载力;为单位矩阵。通过求解上述方程,可计算出成层半空间中 轴上所有节点的横向与竖向位移。有限元中四节点矩形单元刚度矩阵的显式表达 如下:槡()槡 槡 槡 槡 槡 ()槡 槡 槡 槡 ()槡 槡 槡
10、 槡 槡 ()槡 槡 槡 槡 ()槡 槡 槡 槡 槡 ()槡 槡 槡 槡 ()槡 槡 槡 槡 槡 ()()式中:为弹性介质的密度;(?),?,?,()?,()?。人工边界上应力 的计算原理如下:为保证边界上输入等效荷载后能保持位移与应力的一致性,需将波场产生的应力与引入人工边界产生的应力进行叠加,波和 波作用下等效荷载分别为:(,)(?)(,)()?)()(,)()(,)()()式中:和 分别为 波和 波各自的入射角度;和 为应力型人工边界上法向和切向的黏性系数;为场地的 常数;(,)为输入的速度函数。波的波场计算方式类似,只是由于波动为单向的出平面方向,所以式()中的位移矩阵等退化为单独的数
11、值,且需变换相应的单元刚度矩阵与底部边界的等效输入荷载,其显式表达 和 分别如下:槡 ()(,)()式中:为 波的入射角度;为出平面 波的波速;(?)。上下行波分离构成自由波场的入射波与反射波分别属于上行波和下行波;其中,上行波属于内行波,这是在局部地形效应以及断层场地等复杂地震波场求解中需要单独计算的部分 。以同组地震传播过程产生的上下行波的时间差为突破点,建立假想的远置层间交界面模型。如图 所示:若计算区间(第二层)场地的入射波场,需将原有的层界面升高,即保证在计算时间 内入射波还未传到地表面,且 点的振动在计算时间内不会受到 线段左侧区域产生的反射波影响,以此类推。升高高度 的具体计算方
12、法如式(),其他层内的求解方式类似。图 远置交界面法波:()?和 ()?()波:()?和 ()?()波:()?()波场扩展求解式()体现了节点在时间 时刻的位移与直接相邻水平节点()或()时刻的位移是相同的(具体取决于传播方向,其中 ,为整数),因此整个成层半空间的自由波场或入射波场运动均可基于 轴上节点的位移来推求。当地震自左向右传播时波场位移表示为,自右向左传播时波场位移为,计算公式如下:(,)(,)(?)(,()(,)(,)(,)(?)(,)(,()()式中:为正整数;为 轴节点的位移。如图 所示,在三维场景中除规定地震波入射与 轴正方向的夹角为 (入射角),还引入了传播平面与 轴的夹角
13、 (方位角)。图 三维场地中地震波的传播假设地震波从左下角点起振,设任意节点(,)在图 ()中 方向上距离起振点为 ,当 波和 波入射时,位移表达方式如下:(,)(,?)(,)(,?)(,)(,?)()当出平面 波入射时,振动方向垂直于图 ()中的灰色平面,位移表达方式如下:(,)(,?)(,)(,?)(,)(,?)()式中 为地震波沿 方向传播的水平视波速。图 ()为底面上任意点在 方向投影后的新坐标,经过几何计算后,投影点 的坐标计算如下:()?()()?()()当距离 轴的 方向长度不是 的整倍数时,需对其进行线性插值,参考式()即可。算例验证及方法讨论 自由波场位移验证图 为三维的成层
14、场地有限域模型;地基材料参数如表 所示。假设地震波起振点为地基左下角,入射脉冲波的位移时程如图 所示。分别分析垂直入射 波、斜入射 波(,)、垂直入射 波、斜入射 波(,)、垂直入射 波和斜入射 波(,)情况下,地基表面中点的位移响应情况。图 分别为 类情况下成层场地表面中图 三维场地模型及观测点图 输入地震动位移时程点的三向位移时程,解析解采用文献 中的方法。如图 所示,本文方法的振动结果与精确解基本吻合,表明本文的时域化方法具有很好的精度和稳定性。表 三维成层地基动力学参数地基密度?(?)弹性模量?泊松比第一层 第二层 第三层 第四层 图 地震波入射下均质场地关键点位移响应图 三维场地模型
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 一致 地震 作用 下高坝 复杂 地基 体系 动力 响应 分析