当前世界环境GydF4y2Ba

介绍GydF4y2Ba

由于存在于坝之间的相互作用而存在许多复杂性，不可能掌握大坝分析计算。因此，使用有限元方法的数值工具已成为大坝工程中的标准原理。软件和硬件技术的显着发展，允许大坝工程师以高速进行复杂的数值分析。为不同目的开发了大坝基础系统的数值模拟模型。确定水坝和储存器等水有关的结构，对抗结构设计中的流体动力载荷具有特别重要的。当考虑模型中的沉积物等几个因素时，考虑了对水坝进行分析的模型的复杂性将会更大。这些研究的成功需要了解大坝的材料行为，结构上的动态负荷并选择良好的分析模型。Westergaard在地球的二维和小周期运动的情况下，研究了大坝的动态行为。Kutsubo表明，Westergaard解决方案真正用于振动，频率低于水库的固有频率。GydF4y2Ba^1GydF4y2Ba乔普拉提出了广义韦斯特加德解。他指出，水平地震动的动水压力响应一般是不同值的函数。因此，当地频小于水库的一阶固有频率时，动力响应解的虚部消失，Westergaard解具有正确的解。GydF4y2Ba^1GydF4y2BaAsteris et.al讨论了大坝和储层系统的非线性响应。他们专注于创建混凝土的适当非线性模型。在此之后，分析不同的状态可以在物质的非线性操作区域的地震下达到混凝土重力坝。GydF4y2Ba^2GydF4y2Ba高林et.al研究了在中国建造的夏鲁多坝。在地震激励下，它们认为允许应力增加30％，动态模式弹性模量增加了30％，造型的阻尼比为0.05的阻尼比。最后得出结论，基础的灵活性导致坝上运动频率模式的变化。GydF4y2Ba^3.GydF4y2Ba张等人分析了岩石的三维形状，在巨大而无麻自动的情况下。在大规模的情况下，定义了粘性边界条件。由两个正交方向的地震引起的辐射波是由阻尼器排泄，在吸附剂的端部边缘处，不返回坝系统。忽略了重力对基础的影响，以限定无麻的壳体。在这个模型中，基础实际上充当了弹簧。对于流体的建模，水也被认为是不可压缩的。此后，在线性和非线性行为中建模和分析了该坝。GydF4y2Ba^4GydF4y2Ba张世荣、王高辉分析了近断层地震和远断层地震对混凝土重力坝动力响应的影响。他们评估了材料的非线性和在几种情况下发生的结构失败率。GydF4y2Ba^5GydF4y2Ba

在本研究中，通过考虑坝体的一般情况，研究坝体在各种状态下的响应，得出坝体响应的主要趋势。对大坝的情况进行了考虑，包括几个具体情况。这些影响包括水库水位的变化对大坝在不同的建设、降水和开发阶段所产生的影响。评估了近断层地震和远断层地震作用下的大坝反应以及地震方向对结构行为的影响。GydF4y2Ba

相互作用研究GydF4y2Ba

坝-水的动力相互作用GydF4y2Ba

在二维有限元模型中，水与结构的相互作用方程为GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

其中P、C11和εGydF4y2Ba_νGydF4y2Ba分别与流体的压力、体积模量和体积应变有关。w是绕垂直于平面P的轴的旋转GydF4y2Ba_W.GydF4y2Ba为旋转应力，c22为约束参数。在本研究中，利用能量原理得到了流体系统的运动方程。采用有限元近似，流体系统的总应变能可表示为GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

你在哪里GydF4y2Ba_FGydF4y2Ba和KGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba分别为流体系统节点位移矢量和刚度矩阵。流体系统的一个重要行为是能够在体积不改变的情况下进行置换。对于水库和储罐来说，这种运动以晃动波的形式存在，其位移是垂直方向的。因此，必须考虑表面波的影响和流体的晃动行为。用流体的势能来描述流体自由表面的行为是可能的。由自由面运动引起的系统势能可表示为GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

你在哪里GydF4y2Ba_SF.GydF4y2Ba和SGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba分别为流体系统自由表面的垂直节点位移矢量和刚度矩阵。另外，系统的动能可以写成GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

你在哪里GydF4y2Ba_FGydF4y2Ba和MGydF4y2Ba_FGydF4y2Ba分别为流体系统的节点速度矢量和质量矩阵。系统的运动方程可以直接从拉格朗日方程推导出来。这些方程是能量项和功项可以用广义坐标及其时间导数和变分表示的特殊条件下哈密顿变分原理的直接结果。将式(2)-式(4)用拉格朗日方程组合，可得到GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

其中是系统刚度矩阵，分别包括自由表面刚度和节点加速度载体。R.GydF4y2Ba_FGydF4y2Ba是定义为-m的时间变化的节点载体GydF4y2Ba_FGydF4y2Ba一种GydF4y2Ba_GGydF4y2Ba当地震地面加速度作用于流体系统时GydF4y2Ba_GGydF4y2Ba为地面加速度矢量。GydF4y2Ba

坝基动力相互作用GydF4y2Ba

本文研究了坝基相互作用的动力平衡方程。模型分为三组节点，包括:1)坝基节点，以b表示;2)由u表示的大坝节点;3)以f表示的基础节点。GydF4y2Ba

坝基系统的位移r到自由场运动u的平衡方程为:GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba使用结构分析中的直接刚度：GydF4y2Ba

式中M、C、K为质量、阻尼、刚度矩阵，GydF4y2Ba

分别。uGydF4y2Ba_uGydF4y2Ba运动堰为刚体，若基础自由场运动为uGydF4y2Ba_B.GydF4y2Ba是固定的。GydF4y2Ba^7GydF4y2Ba所以:GydF4y2Ba

自由场运动的动力学方程也要求这样GydF4y2Ba^7GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

因此，通过化简方程右侧，GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba这可以表示为:GydF4y2Ba

根据等式（9），可以看出该等式的右手在基础上没有质量和粘性阻尼。只需要将时间历史功能转换为频率函数以从时域传送到频域。位移具有谐波刺激的谐波行为GydF4y2Ba^{．.GydF4y2Ba}∪GydF4y2Ba_{g（t）GydF4y2Ba}＝GydF4y2Ba^{．.GydF4y2Ba}∪GydF4y2Ba_GGydF4y2Ba(ω)GydF4y2Ba^{我ωtGydF4y2Ba}与频率ω。位移向量可以表示为r(t) = r(ω)eGydF4y2Ba^{我ωtGydF4y2Ba7GydF4y2Ba}

大坝-泥沙的动力相互作用GydF4y2Ba

采用子结构方法研究了这种相互作用。该方法将坝沙相互作用分为一系列简单的次相互作用。然后利用力的叠加原理将结果相互结合。GydF4y2Ba^8GydF4y2Ba以这种方式，假设发生在子结构边界中的交互。运动方程可以写成等式10GydF4y2Ba^8GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

应用ω频率谐波激励时的力和位移矢量可以写成GydF4y2Ba^8GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

其中，{Q}和{u}为ω频率下的力和位移复向量。最终每个频率的运动方程如下GydF4y2Ba^8GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

地震规范GydF4y2Ba

建模动态分析的最重要部分之一是选择并将地震的幅度施加到模型中。为此提出，选择了十种具有近距离故障的不同性质的地震，并应用于坝上相互作用表面的界面，加速幅度。地震功能软件还用于基于USBR规定将加速度扩展到0.15g。GydF4y2Ba^9GydF4y2Ba应该提到的是，根据该调节地震，距离地面10公里的故障距离超过10公里的地震，并且震中深度较少，设计为近乎故障地震。五个地震，包括智智，弗劳利，霍利斯特，洛马普里塔和特立尼达靠近故障地震。另外五个包括帝国谷，科可利，神户，兰德里奇，拥有超过10公里的震中，并用作远端地震。GydF4y2Ba^10GydF4y2Ba本研究中使用的所有地震加速度谱见附录A和B。GydF4y2Ba

案例研究GydF4y2Ba

真正建造大坝的模型，大坝中使用的几何和材料规格可用，已经模拟。这是为了遵守现实而完成的。为此目的，Sariyar混凝土重力坝被用作案例研究。大坝位于土耳其安卡拉，土耳其的Nallihan Village，它是在1956年建造的，以生产水力发电。GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba坝体距基础高度约90米，坝顶宽度7米，坝体底部高出72米。GydF4y2Ba^6GydF4y2Ba

图1:GydF4y2Ba沙里亚尔大坝的几何形状GydF4y2Ba 点击这里查看图GydF4y2Ba

有限元建模GydF4y2Ba

有限元方法的历史与19世纪初有关，实际上，90年代被开发为古典​​从工程问题中进入。此方法具有两个功能，将其与其他现有方法区分开，GydF4y2Ba^11GydF4y2Ba包括:a)用积分公式建立一个代数方程组;b)用于逼近未知参数的平滑函数。GydF4y2Ba^11GydF4y2Ba

有限元法可分为五个主要阶段:a)将区域划分为若干个子区域，称为单元;b)确定作为线性或二阶常数系数的函数的解的初始近似;c)代数方程组提取;d)求解生成方程组;e)从节点值计算其他量。GydF4y2Ba^11GydF4y2Ba

本研究利用ABAQUS软件对有限元法方程进行求解，并对大坝-水库-泥沙-地基系统进行分析。模型几何体的创建类似于图1所示。材料的性质也与表1一致。GydF4y2Ba

表1:GydF4y2Ba材料特性[6]GydF4y2Ba 点击这里查看表格GydF4y2Ba

采用Chu和Carrera方程求解混凝土的塑性破坏行为。对于普通强度混凝土，如下所示GydF4y2Ba^12GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

其中β为应力-应变曲线的形状，如下图所示GydF4y2Ba^12GydF4y2Ba：GydF4y2Ba

混凝土有两种不同的破坏机制:抗拉破坏和抗压破坏。参数εGydF4y2Ba^{∼PlGydF4y2Ba}_{T.GydF4y2Ba^是GydF4y2Ba}拉伸应变硬化和εGydF4y2Ba^{∼PlGydF4y2Ba}_E.GydF4y2Ba压缩应变硬化，如图2和3所示。GydF4y2Ba^21GydF4y2Ba

图2:GydF4y2Ba在[13]卸载阶段，拉伸损伤对拉伸卸载行为的影响GydF4y2Ba 点击这里查看图GydF4y2Ba

可能是由于材料特性不充分，εGydF4y2Ba^{∼PlGydF4y2Ba}_E.GydF4y2Ba在某些情况下是负的。在这种情况下，错误命令将由软件发出。GydF4y2Ba^13GydF4y2Ba

图3:GydF4y2Ba压缩损伤对压力阶段卸载斜率的影响GydF4y2Ba 点击这里查看图GydF4y2Ba

返回硬化，是混凝土滞后行为期间分析中最重要的部分之一。压缩或拉伸刚度可逆因子可以在软件中确定。GydF4y2Ba^13GydF4y2Ba

图4:混凝土滞回特性GydF4y2Ba 点击这里查看图GydF4y2Ba

实验室数据通常由名义应变和应力组成，而不是真实的数量。因此，要在软件中实现这些参数，必须将它们转换为实际值。GydF4y2Ba^13GydF4y2Ba

其中ε.GydF4y2Ba_nomGydF4y2Ba和σGydF4y2Ba_nomGydF4y2Ba是标称应变和应力。此外，ε和σ是它们的实际值。标称和实际值之间的差异随着应变和应力的上升而增加。不考虑这个事实可以导致结果中的重大错误。GydF4y2Ba^13GydF4y2Ba由上述方程得到的混凝土塑性破坏图相关数字见附录c。所研究的加速度谱均应用于坝基边界面。在应用边界条件时，考虑正号(对下游)和负号(对上游)，以评估地震方向的影响。此外，对油藏进行了三种不同模式的模拟，分别为满、三分之二和三分之一的油藏体积。最后将60个得到的答案进行比较GydF4y2Ba

附录A.GydF4y2Ba：附近地震附近的加速时间历史GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

附录GydF4y2BaBGydF4y2Ba:远断层地震的加速度时程GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

附录C.GydF4y2Ba:软件中混凝土的塑性特性和破坏准则GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

结果与讨论GydF4y2Ba

网格的收敛性分析GydF4y2Ba

通过网格收敛分析，得到模型中最优的网格数。灵敏度分析是减少大网格误差、避免小网格分析费时的有效方法。为此，我们考虑了5个不同的值â€。还评估了元件类型对获得响应的影响。两种不同类型的元素的大致尺寸和数量见表2。GydF4y2Ba

表2:GydF4y2Ba在敏感性分析中检查的元素的大小，数量和类型GydF4y2Ba 点击这里查看表格GydF4y2Ba

附录D.GydF4y2Ba:近断层地震下全水库位移时程图GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

上表中CPS4R单元为连续平面应力四点简化积分单元，CPS3单元为连续平面应力三点简化单元。在水库满库的CHICHI地震荷载作用下，获得了坝顶位移时程图。对每个图提取最大位移，并将其作为收敛性的比较指标。GydF4y2Ba

图5:GydF4y2Ba系统灵敏度图以元件的类型和尺寸为准GydF4y2Ba 点击这里查看图GydF4y2Ba

在尺寸约为10米的CPS4R单元(635个单元)中，最大位移达到4.5 cm。通过将元件的尺寸缩小到7米，两条线相互碰撞，达到5.5厘米。单元数的增加对结构响应没有显著影响，仍然保持在5.5 cm以内，体系收敛。这个大小的CPS3元素的数量是2372,CPS4R是1212。因此，选择CPS4R网格类型对减少软件分析时间有很大的影响。因此，在本研究中，我们使用了尺寸约为7 m的CPS4R元件类型。GydF4y2Ba

附录E.GydF4y2Ba:远断层地震下满水库位移时程图GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

附录F.GydF4y2Ba:近断层地震下2/3水库的位移时间历史图GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

大坝地震反应GydF4y2Ba

为模型命名，首先是地震的名称，然后是水位，最后是地震的方向。坝顶位移时程图见附录D。图中纵轴表示坝顶位移，单位为米，横轴表示时间，单位为秒。结构在40秒内的所有地震的行为被提出。从图中提取了绝对最大位移，并进行了讨论。GydF4y2Ba

图6:GydF4y2Ba水库满水量时的最大驱替量GydF4y2Ba 点击这里查看图GydF4y2Ba

图7:GydF4y2Ba最大驱替量为储层体积的三分之二GydF4y2Ba 点击这里查看图GydF4y2Ba

图8:GydF4y2Ba最大驱替量为油藏体积的三分之一GydF4y2Ba 点击这里查看图GydF4y2Ba

很明显，所有的图表都显示了KOCAELI地震的显著增加。与其他地震相比，这次地震的周期较长。第一个加速度积分，生成速度时程图，它对KOCAELI地震具有较大的信息量。也要顺应它所引起的地震位移量也比其他地震大。在集集地震和全水库状态下，大坝下游方向的地震响应比上游高4倍左右。然而，在大多数情况下，在两个地震方向上的结构性能都略有不同。因此，在结构设计中面对类似KOCAELI的远断层地震时，应考虑地震的突然压力。在上、下游两个方向的地震作用，分别导致了软件中x图的正、负方向的结构运动。有趣的是，选择地震的正、负方向对坝顶位移的影响可以忽略不计。此外，大坝的位移也随着水位的升高而增加。 Moreover, in all three cases considered for reservoir, the displacement spectrum was the same.

附录G.GydF4y2Ba:远断层地震下满水库位移时程图GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

附录H.GydF4y2Ba:近断层地震下2/3水库的位移时间历史图GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

附录GydF4y2Ba一世GydF4y2Ba:远断层地震下满水库位移时程图GydF4y2Ba 点击此处查看inpendixGydF4y2Ba

结论GydF4y2Ba

评估sarariyar大坝在各种可能发生的情景下的行为，规定在远断层地震发生概率高的坝址，应使用与爆炸、冲击荷载等突然荷载相关的分析。对于建在故障附近的结构，对结构的两阶模态进行评估就足够了。在断层距离较远的地方修建大坝，需要对大坝的振动特性进行频率模态分析和精确确定。GydF4y2Ba

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