发布时间：2021-08-19所属分类：免费文献浏览：1次
摘 要： 水电能源科学
《单向及双向输入地震波对拱坝系统的影响》论文发表期刊：《水电能源科学》；发表周期：2021年04期
《单向及双向输入地震波对拱坝系统的影响》论文作者信息：作者简介：沈智敏（1995－），男，硕士研究生，研究方向为水工结构分析及工程应用。通讯作者：闫毅志（1968－），男，博士、教授、硕导，研究方向为水工结构分析及工程应用等。
摘要：采用ADINA有限元软件建立三维的拱坝-库水-淤沙-地基耦合模型，分别以人工合成地震波水平记录计算输入的单向及双向地震波，改变激励方向，分析了坝体、坝基的位移及应力响应。结果表明，双向输入地震波下，拱坝体系各监测点的位移和应力响应明显大于单向输入时的情况，同时，位移和应力的最大值与激励角度有关，最不利输入角度处于-40°～-90°之间。
关键词：拱坝;耦合模型;单双向输入地震波;地震响应
1引言
我国水力资源丰富，为充分开发水能资源，无法避免地会在高地震烈度区修建一批高拱坝工程，这势必要进一步提高拱坝的抗震设计值。在以往的高拱坝抗農研究中，张翌娜等[1]视拱坝库水一地基为“三位一体”耦联动力系统，对拱坝进行了地震情况下的非线性动力分析和安全评价;龚亚琦等[2]对坝体一地基一库水体系进行了细致的理论分析，详细说明了数值模拟的实现。在对人工边界和地震波的输入方面，董凯等[]对弹性和柔性地基上动力人工边界及地震动输入方法做出了实质的指导;尹广斌等[1基于ADINA软件探讨了软基上地震动输入方法及运用情况，给出了ADINA中具体的实现方法。然而，目前在地震波输入方面只考虑了单向地震激励，忽略了双向地震激励[5，故不能合理地分析不同方向地震激励对高拱坝的影响，其次在拱坝一库水-地基耦合体系中，不可忽视淤沙层对地震响应的影响。鉴此，本文结合ADINA软件，建立了拱坝一库水一淤沙一地基耦合模型，分别输入单向及双向地震激励对拱坝进行计算分析，其结果对高拱坝结构设计和安全性评价具有一定的指导意义。
2人工边界及地震波
2.1人工边界
在数值仿真模拟人工边界问题中，粘弹性人工边界优势在于能简单的与有限元相结合，即在模型边界节点处可分别设置法向、切向并联弹簧和阻尼器单元，见图1。图1中，Ai为人工边界上节点的影响面积;Ki为弹簧的单元刚度系数;Ci为阻尼器的单元阻尼系数。
关于粘弹性边界，推导的前提是建立在无限域和对称的假定上的，而实际要解决的往往是半无限域和非对称问题。为了更好地在ADINA有限元软件中模拟实际边界条件，需修正弹簧参数和阻尼器参数，统一参数并施加弹簧一阻尼器系统的粘弹性边界，表达式为：
式中，G为介质剪切模量;p为介质密度;Cc，分别为介质的P波、剪切波波速。
同时，需在人工边界方面设置一系列由线性弹簧和阻尼器组成的简单力学模型以实现粘弹性人工边界，其中弹簧的单元刚度系数及阻尼器的单元阻尼系数可基于式(1)获得：
2.2地震波确定
目前常见的时程分析中，地震波有典型的强震记录、人工模拟地震波和实际强震记录三种方式5。其中，人工加速度的记录更为任意、灵活，更易满足给定条件。因此，采用人工模拟地震波的形式来选取双向地震波。图2为基于双向地震输入的人工合成反应谱的选波流程图。采用同一地震波分量下的两水平方向进行输入，两者的峰值加速度比值调整为1：0.85。图3为选取的双向地震波三向加速度时程曲线。
2.3地震波振动分量的计算
分别以人工合成地震波水平记录计算单向输入、人工合成地震波双向水平记录计算双向输入，最终求解出在坝体上下游及坝基处地震动不同振动方向的动力反应，其计算工况见表1。
本文构建的拱坝模型受到顺河向和横河向的双重振动作用，可通过下式计算顺河向和横河向的振动分量：
3拱坝模型的建立
3.1模型和参数
通过ADINA有限元软件构建了坝体一库水-淤沙一地基系统动力耦合模型，见图4。其中，坝体上游面的长度取坝高的3倍，坝体下游面的长度、坝体底部向下延伸的长度、左边和右边坝体的边界处均取坝高的1.5倍，淤沙层厚度选取坝高的0.4倍。
为了计算方便，模型中忽略河谷场地效应，依据规范和拱坝的自身性质，得到拱坝材料参数见表2[7]。
3.2监测点布置
为了能准确观测坝体及坝基的地震响应情况，分别在坝体与地基接触面处依次选取具有代表性的A、B、C，D，E五个监测点(图5(a))，其中坝体下游面选取A，、B，、C.、D，、E，五个监测点(图5(b))，坝体上游面选取A2B、C2、D2、E五个监测点(图5(c)。
4结果与分析
4.1单双向地震波激励下主应力响应分析
4.1.1坝体下游主应力响应对比单双向地震波激励下坝体下游面拉应力均随着高程的降低而降低，拉应力最大值均发生在A点4--90"，-40"时，后者比前者大9.1%。对坝体下游面压应力，单向输入时，A，点的压应力最大，双向输入时压应力最大值为E点q=-40时，双向地震作用下的压应力为单向地震作用下的1.
05倍。
4.1.2坝体上游主应力响应对比在分别输入单向和双向地震波时，坝体上游面拉应力在D，、E2点出现了部分负值的情况，但其他各监测点仍受拉应力作用;在单双向地震激励下，最大拉应力值均在A2点的q--60"时，且最大拉应力值相差1.28倍。在单向地震激励作用下，上游面最大压应力值出现在E2点4--909时;双向地震激励作用下，上游压应力的变化规律与单向一致，压应力最大值发生在4=-70时，双向输入比单向大11.73%。
4.1.3坝基主应力响应对比在不同地震波激励角度下，坝基各参考点的最大拉应力值均出现在A点，单双向输入地震波分别发生在4-90、-90"时，且双向地震作用下最大拉应力值为单向的1.06倍。单向及双向地震激励下，坝基压应力最大值均出现在E点φ=90"、-90"时，但两者的应力值相差不大。特别地，在双向地震激励作用下，坝基A、B、D三点的压应力极值受激励角度的变化影响不大，C、E两点在4-20~80时有明显突变。
4.2单双向地震波激励下位移响应分析
4.2.1坝体位移响应对比
选取坝顶为参考点，研究坝体在单向及双向地震波激励下不同振动方向的位移极值响应，结果见图6，由图6可看出，单向地震波输入时，坝顶X向的位移在4=0时最大(为0.0405m)，双向地震波输入时，坝顶X向的位移在4=30时最大(0.0491m)，为单向输入时的1.21倍;双向输入地震波时，坝顶Y向最大位移为0.1919m，比1入最大值(0.1636m)大17.30%。可见，单双向地震波作用下的坝顶Y向位移整体比X向位移大。
4.2.2坝基位移响应对比图7为单向及双向地震波激励下不同振动方向坝基X、Y向位移极值。由图7(a)、(b)可知，单向和双向地震波输入时分别在4=0"、30时X向位移极值最大，且最大位移相差4.63%;位移极值随各监测点高程的降低而减小，坝基A点位移响应极值最大。由图7(c)、(d)可知，单向地震波输入时坝基Y向位移最大值位于A点4=90处，双向地震波输入时坝基Y向最大位移为B点4--400处。总体来看，不同地震波输入的情况下，最大位移发生的位置各不相同。
5结论
a.对比单双向地震激励的情况，拱坝坝体和坝基X、Y向位移的最大值均在双向地震激励下发生，且最大位移值在Y向较为偏大。其中，坝顶的X、Y向最大位移值分别为0.0491、0.1919m，坝基X、Y向最大位移值分别为0.067 80.098 9 m.
b.对坝体的上下游及坝基输入不同激励的地震波，单向输入时，最大位移及应力值发生在横河向或顺河向;双向输入时，地震响应极值与地震波输入时绕拱坝坐标系旋转的振动角度有关，最不利输入角度处于-40~-90之间。
c.在高拱坝抗震设计与安全评价中，只考虑单向地震波输入的影响会低估坝体的破坏效应，往往在高地震烈度地区发生潜在危险的可能性更大，结果可为后续其他类似工程的设计与计算提供参考。
参考文献：
[1]张翌娜，张建伟，赵瑜，等，高拱坝耦联动力系统地震响应研究[J].水电源科，2014，32(8)：76-80.
[2]龚亚琦，陈琴，崔建华，等，坝体一地基一库水体系的动力有限元分析及其应用[J].水电源科学，2012，30(1)：40-44.
[3]董凯，米占宽·弹性和柔性地基上动力人工边界及地震动输入方法[J].水电能源科学，2020，38(5)：101-105.
[4]尹广斌，张燎军，俞佩斯，基于ADINA软基上地震动输入方法研究及其应用[J].水电源学，2012，30(1)：135-138.
[5]胡良明，孙奔博，付晓龙，不同方向地震激励对水工洞位移的影响[J].水电源科，2017，35(4);127-129，119.
[6]徐海英，双向地震对地震波选取及柱抗震设计的影响[D].重庆：重庆大学，2009.
[7]董旭，地震波斜入射下库底淤沙对拱坝的地震影响研究[D].昆明：昆明理工大学，2018.
Abstract: The three-dimensional coupling model of arch dam-reservoir water-sil-foundation was established by using finite element software ADINA. The input unidirectional and bidirectional seismic waves were recorded and calculated by using synthetic seismic waves horizontally. The excitation direction was changed, the displacement and stress response of the dam body and foundation were analyzed. The results show that the displacement and stress responses of the monitoring points of the arch dam system under the bidirectional input are obviously larger than those under the unidirectional input. Meanwhile, the maximum displacement and stress are related to the excitation angle, and the most unfavorable input angle is between-40 and -90.
Key words: arch dam; coupling model; unidirectional and bidirectional input seismic waves; seismic response
SCISSCIAHCI
