基于粘弹性边界在重力坝动力分析中的应用.pdf
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1、74云南水力发电YUNNAN WATER POWER第 40 卷第 3 期 *收稿日期:2023-10-16 基金项目:西藏自治区科技重点研发计划项目(XZ202201ZY0034G);国家自然科学基金重点支持项目(U21A20158)作者简介:秦得顺(1999-),男,河南许昌人,硕士研究生,主要从事大坝结构动力学分析的研究工作。通信作者:郭永刚(1966-),男,黑龙江双城人,教授,博士生导师,主要从事水利水电工程强震安全监测、重大工程灾后快速预警与评估等方面的研究工作。基于粘弹性边界在重力坝动力分析中的应用秦得顺,郭永刚,苏立彬,罗卫艳,王国闻(西藏农牧学院,西藏林芝860000)摘要:
2、在重力坝动力分析中,选择合适的人工边界条件可以比较精准地模拟波在模型地基边界位置的传播特点,提高数值分析结果的精度。以西藏藏木重力坝为案例,采用有限元方法,对不同条件下重力坝的动力响应规律进行对比分析。分别从不同边界条件及不同输入地震动两个方面分析比较,结果表明:同传统的固定边界相比,粘弹性边界条件能够准确地模拟重力坝在地震动力作用下的响应。关键词:重力坝;动力响应;粘弹性边界中国分类号:TV312;TV642.3 文献标识码:A文章编号:1006-3951(2024)03-0074-04DOI:10.3969/j.issn.1006-3951.2024.03.020Application o
3、f Viscoelastic Boundary in Dynamic Analysis of Gravity DamQIN Deshun,GUO Yonggang,SU Libin,LUO Weiyan,WANG Guowen(Tibet Agricultural and Animal Husbandry University,Nyingchi 860000,China)Abstract:In the dynamic analysis of gravity dams,selecting appropriate artificial boundary conditions can accurat
4、ely simulate the propagation characteristics of waves at the boundary position of the model foundation,and improve the accuracy of numerical analysis results.Taking Zangmu gravity dam in Xizang as an example,the dynamic response law of gravity dam under different conditions is compared and analyzed
5、by using the finite element method.This paper analyzes and compares two aspects:different boundary conditions and different input seismic motions.The results show that the viscoelastic boundary conditions can accurately simulate the response of gravity dams under seismic dynamic action compared with
6、 the traditional fixed boundary conditions.Keywords:gravity dam;dynamic response;viscoelastic boundary0引言过去的研究主要采用线性弹性边界模型进行重力坝的动力分析,但这种模型忽略了土和坝体之间的复杂相互作用,如地震波的反射和折射,以及土-结构相互作用等。因此,传统的线性弹性边界模型在预测重力坝的动力行为方面存在局限性。随着重力坝建设高度增加和西部强震区施工复杂性提升,重力坝的安全性成为重要关注点。为了满足重力坝抗震性能的安全要求,需要寻找更优秀和真实的计算方法。因此,科研人员不断探索和创新,以
7、确保重力坝的抗震安全性。近年来,粘弹性理论在地震工程和土木工程中得到广泛应用,尤其在处理土壤和结构动力相互作用问题上展现出独特优势。粘弹性边界模型基于粘弹性理论定义的边界条件,能够考虑土壤和坝体之间的复杂非线性相互作用,为重力坝的动力分析提供了新的视角和工具。基于地震动对结构的影响及不同人工边界条件,何建涛1以官地混凝土重力坝为分析原型进行了静动力非线性及线弹性研究。结果表明,相比未设边界条件的计算结果,粘弹性边界的地震反应显著减小。牛志伟等2将粘弹性人工边界应用在地基-坝体-库水系统中进行地震动力响应分析,基于无限地基和无质量地基两工况进行研75秦得顺,郭永刚,苏立彬,罗卫艳,王国闻基于粘弹
8、性边界在重力坝动力分析中的应用究。结果显示,无质量地基模型计算的结果偏大,粘弹性边界模型的计算精度比较高。陈灯红等3通过数值算例验证了粘弹性边界的求解效率以及准确性,并在某个水电站厂房坝段的动力分析中应用。研究结果显示,相比于无质量地基和固定边界,粘弹性边界条件下得出的结果坝体的动力响应峰值降低了很多。吴悦等4基于固定边界、无限元边界及粘弹性边界对西藏某深厚覆盖层土石坝进行动力非线性分析比较,得出无限元边界比固定边界结果精度高,而粘弹性边界结果优于无限元边界。因此,在进行结构动力响应分析时,考虑无限域地基的辐射阻尼影响是非常重要的。在地震频发、强度大的区域,如果重力坝在地震的作用下发生破坏,将
9、造成严重的损失与灾难5。以西藏藏木水电站工程为对象,通过数值模拟比较了粘弹性边界和固定边界条件下重力坝的动力响应结果。1工程概况及有限元模型藏木水电站位于西藏自治区山南地区加查县城上游 17 km 处,水库的正常蓄水位为 3 310 m,库容为 0.866104 m3,装机容量为 510 MW。电站为常态混凝土重力坝,坝顶高程为 3 314 m,最大坝高为 116 m6。工程场地的基岩水平动峰值加速度为 140.8 cm/s2,对应于电站场址的地震基本烈度为度,超过 50 年一次的 10%超越概率。根据水工建筑物抗震设计规范7,设防烈度为度。大坝的抗震设防类别为乙类,厂房及其他次要建筑物的抗震
10、设防类别为丙类。为了科学合理地评估藏木水电站重力坝坝体和坝基系统的抗震能力,进行三维有限元抗震计算分析是非常必要的。在进行重力坝地震分析时,有限的计算区域需要截取,目的就是为了消除边界对计算结果的影响。藏术大坝高度为 116 m,坝体左右两岸取了3 倍坝高,坝基深度取到基岩。三维大坝模型有限单元类型为 C3D8,计算模型共有 52 706 个单元,59 676 个节点。地震动的输入采用迁安波。在大坝模型的顺河向和横河向施加水平方向地震动,竖向边界施加的地震动加速度峰值为水平方向的 2/38。地震波加速度时程采样间隔为 0.01 s,持时为 20 s。输入地震波的幅值为 0.1 g,经过放大比例
11、得到了0.3 g 和 0.5 g 的地震波。采用时程分析法,主要外荷载考虑坝体自重、上下游静水压力及扬压力,为了有效的模拟地基辐射阻尼采用了粘弹性人工边界,对模型施加三向地震动进行动力计算。2粘弹性人工边界及材料参数设置2.1粘弹性边界条件粘弹性人工边界是一种在数值模拟中用于模拟波动传播和边界反射的人工边界条件。它模拟了材料的粘弹性特性,通过引入合适的边界阻尼机制,能够有效减小波动在边界处的反射,并实现波动的吸收和衰减。粘弹性人工边界的设计基于黏性和弹性特性的组合,以模拟实际材料的能量耗散行为。它通常由两个核心部分组成:黏性阻尼和弹性阻尼。黏性阻尼是指人工边界通过引入与波动频率成正比的阻尼系数
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