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基于黏弹性边界的地震波斜入射方法研究

水力发电学报 2015年第1期34卷 183-188页

作者：陈立张燎军河海大学水利水电学院南京210098

地震动输入的形式的选取是计算水工建筑物地震反应的重要问题。本文在前人工作的基础上,采用工程波动理论,总结推导出基于黏弹性边界的二维P波和VS波的等效荷载计算公式,进而施加在人工边界上,实现地震波的斜输入。通过斜输入算例表明,... 详细信息

地震动输入的形式的选取是计算水工建筑物地震反应的重要问题。本文在前人工作的基础上,采用工程波动理论,总结推导出基于黏弹性边界的二维P波和VS波的等效荷载计算公式,进而施加在人工边界上,实现地震波的斜输入。通过斜输入算例表明,本文的黏弹性边界地震波斜输入方法很好反映P波和VS波的斜入射情况,具有较高的精度,能够有效应用于地震斜输入过程中结构与地基的相互作用的计算中。

关键词：水工结构时域地震反应动力有限元法地震波斜入射黏弹性边界

地震波斜入射条件下高耸进水塔群的地震响应分析

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地震波斜入射条件下高耸进水塔群的地震响应分析

作者：杨光西安理工大学

学位级别：硕士

随着一批百米级大坝依次建设,与之相对应的引水输水建筑物-进水塔群的建设高度也随之增加,而西部地区的地震烈度高且强震频发,在水利工程选址时是难以避让的,这就为进水塔群的抗震安全带来了极大的挑战。目前在对高耸进水塔群进行动力... 详细信息

随着一批百米级大坝依次建设,与之相对应的引水输水建筑物-进水塔群的建设高度也随之增加,而西部地区的地震烈度高且强震频发,在水利工程选址时是难以避让的,这就为进水塔群的抗震安全带来了极大的挑战。目前在对高耸进水塔群进行动力响应分析时边界条件通常考虑为固定边界,地震波的入射方式假定为垂直入射,但浅震源地震波传播至地表时的入射方向是不定的,结构产生的地震响应也随地震波的入射方向的变化而变化,因此假定垂直入射的地震波入射方式、固定边界条件与实际情况不完全相符,其带来的误差也是不可忽略的。为研究地震波斜入射对高耸进水塔群的动力响应影响,本文通过有限元软件建立高耸进水塔群模型,引入粘弹性人工边界及地震波以不同角度入射的地震输入法,分析不同入射角度的地震波对高耸进水塔群动力响应影响规律,具体研究内容与结果如下:(1)采用等效边界力法来实现粘弹性人工边界上的波动输入,实现SV波斜入射。基于SV波二维和三维斜入射时人工边界上各结点的等效荷载计算方法,编制sv波作用下等效结点荷载计算程序,建立相应的数值算例模型,计算结果表明该计算程序与方法具有较高的精度。建立高耸进水塔群有限元模型,计算分析了 sv波以不同入射角α及β斜入射时高耸进水塔群的地震响应。研究结果表明:SV波斜入射明显改变了进水塔群的位移、加速度和应力响应,对高耸进水塔群结构有不利影响。(2)基于P波二维和三维斜入射时人工边界上各结点的等效荷载计算方法,编制P波作用下等效结点荷载计算程序,建立相应的数值算例模型,计算结果表明该计算程序与方法具有较高的精度。建立高耸进水塔群有限元模型,计算分析了 P波以不同入射角α及β斜入射时高耸进水塔群的地震响应,研究结果表明:P波斜入射明显改变了进水塔群的位移、加速度和应力响应,对高耸进水塔群结构有不利影响。(3)经过上述分析研究可知地震SV波、P波斜入射对高耸进水塔群的动力响应有一定程度的影响,与地震SV波、P波垂直入射时相比有明显区别且对结构产生不利影响。鉴于此,在高耸进水塔群的结构设计中,有必要考虑地震波斜入射对结构产生的不利影响。

关键词：高耸进水塔群粘弹性人工边界地震波斜入射地震响应有限元分析

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地震波斜入射条件下上部结构的扭转响应分析

地震波斜入射条件下上部结构的扭转响应分析

作者：陆仲恒华中科技大学

学位级别：硕士

现阶段抗震设计中的地震波输入多为水平输入,而当震中距较小时,地震波的入射方向与水平面有一定的空间夹角,此时地震波简化成水平输入是不符合实际情况的。地震波斜入射时,抗侧力构件所产生的扭矩是不能忽略的,而该扭矩会使构件从简单... 详细信息

现阶段抗震设计中的地震波输入多为水平输入,而当震中距较小时,地震波的入射方向与水平面有一定的空间夹角,此时地震波简化成水平输入是不符合实际情况的。地震波斜入射时,抗侧力构件所产生的扭矩是不能忽略的,而该扭矩会使构件从简单的弯剪受力状态进入到复合应力状态,使构件破坏形式变得复杂。因此有必要对斜入射地震作用下的结构扭转响应进行深入研究。首先,本文采用弹性波动理论的分析方法,推导出了地震波引起的无质量刚性基础的扭转分量加速度,并通过Wilson-θ逐步积分法求出了其扭转位移。随后基于无限元人工边界理论建立了二维模型,并通过算例验证了无限元边界的可靠性。然后,基于有限元软件,建立了土体-无质量刚性基础的三维有限元分析模型,求出了无质量刚性基础的扭转位移响应,并将其与理论解进行对比,同时还基于阪神地震波分析了自由场土体的地震波算例,显示了该模型具有一定的可靠性。最后,进行了数值模拟,考虑的扭转影响因素包括了地震波空间入射角、剪切波速、结构高度、临近结构距离以及基础不规则形状。在研究每个参数的影响规律时,首先分析了对扭转方向基础输入运动的影响,随后分析该参数对考虑上部结构扭转响应的影响。本文的工况分析采用控制变量法,改变目标参数而保证其他参数一致,最终得出了以下结论:地震波空间入射角度的变化对基础及上部结构的扭转响应有直接影响;相同空间入射角条件下无质量刚性基础的扭转输入运动随着剪切波速的增大而相应减小;空间斜入射地震波的激振频率接近结构物一阶固有频率时,上部结构将出现较大扭转响应;相同空间入射角条件下,上部结构的扭转响应远大于基础输入运动的扭转响应;临近结构物的存在会增大既有结构物的扭转响应,且随着临近结构距离的增加,既有结构扭转响应的增大幅度会减小;当基础的形状系数越大时,扭转响应越大。

关键词：土-结构相互作用地震波斜入射基础输入运动扭转响应有限元法

地震波斜入射下库底淤沙对拱坝的地震影响研究

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地震波斜入射下库底淤沙对拱坝的地震影响研究

作者：董旭昆明理工大学

学位级别：硕士

在过去的二十年是我国水电史上的黄金时期,一大批的高坝从各大流域相继矗立,特别是在水能资源充沛的西部地区更是拥有许多世界知名的水利工程。但是,同样我们应该了解我国西部属于地震多发地带,地震烈度总体上看,以西部地区最高,强震频... 详细信息

在过去的二十年是我国水电史上的黄金时期,一大批的高坝从各大流域相继矗立,特别是在水能资源充沛的西部地区更是拥有许多世界知名的水利工程。但是,同样我们应该了解我国西部属于地震多发地带,地震烈度总体上看,以西部地区最高,强震频发。水利工程抗震具有特殊意义,一旦失事不但危及工程本身,还会产生一系列的次生灾害,给大坝下游居民造成无法估量的损失,这就给大坝的抗震安全带来了挑战。本文从地震波以不同的入射角斜入射,库底淤沙对大坝地震的影响等方面展开研究,主要研究内容如下:(1)首先研究了如何使用有限元解决波动问题,以有限元分析为主要手段,建立拱坝、库水和淤沙有限元模型,由于在地震作用下,库水震动会对坝体产生一个附加作用力,动水压力会反过来作用于坝体,整个过程反映了地震作用下强烈的流固耦合效应,所以ADINA仿真中采用FSI模块进行计算。研究在拱坝有限元模型中黏弹性人工边界的设置。同时分析了二维黏弹性边界和三维黏弹性边界,研究地震波倾斜入射的方法,实现地震波以不同的入射角倾斜入射,将倾斜入射的地震波分解为横河向和顺河向。(2)在建立好的拱坝模型中选取坝顶,坝底,左右坝肩几个代表性的参考点,根据建立的拱坝模型尺寸拟定一个合理的淤沙厚度,分析地震波斜入射不同入射角度各参考点的X方向和Y方向的地震响应位移。然后在坝体中轴线上下游各选取五个参考点做坝体主应力响应分析,证明不同入射角度对坝体位移和主应力都有影响,并得出一个最不利入射角度。(3)通过分析得出一个最不利入射角度,然后以库底淤沙作为变量,分别比较考虑淤沙和不考虑淤沙两种情况,分别在拱坝有限元模型上选取同样的参考点,然后进行比较两种情况下的位移和最大主应力变化情况。通过分析得出库底淤沙对拱坝地震响应有一定的影响。同时根据结论可以对水利工程大坝建设提出一些实质性的建议,对水工结构抗震具有重要意义。

关键词：库底淤沙地震波斜入射混凝土高拱坝地震响应黏弹性人工边界

地震波斜入射下地铁双隧道与地铁车站的动力响应研究

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地震波斜入射下地铁双隧道与地铁车站的动力响应研究

作者：张梁天津大学

学位级别：硕士

随着我国经济的高速发展与人口的不断增长,我国的地下结构建设也迎来了快速的发展,所以针对地下结构的抗震分析也受到了学界的广泛关注。不过以往的地下结构抗震分析通常假定地震波是从基岩以垂直于地表的方向向上传播并作用于地下结构... 详细信息

随着我国经济的高速发展与人口的不断增长,我国的地下结构建设也迎来了快速的发展,所以针对地下结构的抗震分析也受到了学界的广泛关注。不过以往的地下结构抗震分析通常假定地震波是从基岩以垂直于地表的方向向上传播并作用于地下结构的,而实际上浅源地震产生的地震波是完全有可能与竖直方向成一定倾角向地下结构入射的。本文基于粘弹性边界理论和地震波动的等效节点力方法,对地铁双隧道和地铁车站在地震波斜入射下的动力响应进行了分析。主要结果如下:1.本文基于粘弹性边界理论和等效节点力方法,使用Python语言编制了二维及三维等效节点力的输入脚本,并根据目前学界尚未对粘弹性边界理论的波场分解方法达成一致的现状,总结了三种常用的波场分解方法并进行了数值模拟的精度比较验算,最后发现第三种波场分解方法的计算精度最接近理论解,并将该波场分解方法用于后续的分析。2.根据某市地铁某区间的双隧道工况建立二维有限元模型,利用二维粘弹性边界和等效节点力施加脚本对该模型进行不同角度P波及SV波的输入,结果表明随着P波斜入射角度的增大,隧道各监测点的动力响应变化并不明显,而随着SV波斜入射角度的不断增大隧道各监测点的动力响应则会明显增大。3.根据某市某地铁车站的实际工况建立了该车站主体结构的三维模型,利用等效节点力施加脚本对该模型进行不同角度P波及SV波的输入,结果表明地铁站柱子顶端轴力与剪力会随P波输入角度的增大而减小,随SV波输入角度的增大而增大,即斜入射SV波对地铁车站结构产生的震害要大过斜入射P波对地铁车站结构产生的震害。

关键词：粘弹性边界等效节点力地震波斜入射地铁双隧道地铁车站

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地震波斜入射下拱坝地震响应分析

地震波斜入射下拱坝地震响应分析

作者：余琳君昆明理工大学

学位级别：硕士

在改革开放之后,我国在水利水电方面的发展经历了较为繁荣的时期,建造了很多的大型水利设施,但我国的地震灾害发生频繁,且分布广泛,一旦发生剧烈地震,将很可能会产生巨大的损失,在这样的时代背景下,水工结构地震响应分析的重要性显得尤... 详细信息

在改革开放之后,我国在水利水电方面的发展经历了较为繁荣的时期,建造了很多的大型水利设施,但我国的地震灾害发生频繁,且分布广泛,一旦发生剧烈地震,将很可能会产生巨大的损失,在这样的时代背景下,水工结构地震响应分析的重要性显得尤为重要了。现今拱坝的地震响应分析主要为地震波垂直入射时的情况,但在实际生活中,地震波的入射方向并不一定是垂直入射,可能存在着一定的角度,研究地震波倾斜入射对于拱坝结构地震响应分析的意义是显而易见的。为研究地震波倾斜入射对拱坝抗震响应,本文建立了拱坝有限元模型,输入不同入射角度的地震波,分析影响,并且寻找地震波斜入射下的拱坝最不利入射角度。具体工作如下:(1)研究了使用有限元法解决近场波动问题,学会正确定义以及设置人工边界,研究了粘弹性人工边界在有限元中的波动输入方法,重点分析研究等效边界力法和波场分解法这两种外源输入方法,以便于在之后程序中实现波动输入。并研究如何在实现黏弹性人工边界时合理使用ADINA软件中的弹簧阻尼单元来进行结构分析。寻找一种简便的实现地震波倾斜入射的方法,将倾斜入射地震波分解为顺河向和横河向振动,便于在软件中实现,且结果具有代表性。(2)结合拱坝结构特点和现今的拱坝抗震分析理论与方法,在ADINA有限元软件中建立拱坝有限元模型,分析地震波斜入射对拱坝地震响应的影响,选取坝体上和坝基上有标志性的参考点位移时程曲线进行对比,分析不同入射角度对拱坝X向和Y向位移响应的影响。选取坝体和坝基上有标志性的参考点主应力时程曲线进行对比,分析不同入射角度对拱坝坝体应力响应的影响。得出结论表明地震波斜入射会影响拱坝抗震响应。(3)在得到地震波斜入射会影响拱坝地震响应分析这一结论之后,探索研究更多不同入射角度下的拱坝地震响应,分析不同入射角度下各参考点的最大位移以及最大主应力比较,通过图表数据、应力云图及综合分析得到地震波斜入射下的拱坝最不利入射角度。得出的结论可以为水利工程抗震设计提供一定的参考价值。

关键词：地震波斜入射流固耦合最不利入射角抗震分析

考虑地震波斜入射作用的坝后式厂房动力响应分析

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水电能源科学 2019年第5期37卷 45-48页

作者：王洋洋景月岭周召虎合肥工业大学土木与水利工程学院安徽合肥230009 大连理工大学海岸和近海工程国家重点实验室辽宁大连116024

为探究地震波斜入射作用对坝后式厂房上部结构的影响,构建了龙开口水电站二维厂坝整体连接有限元模型,根据粘弹性边界理论,编制了平面P、SV波斜入射波动程序,输入地震波采用抗震设计要求的人工波,分析坝后式厂房上下游墙的动力响应可知,... 详细信息

为探究地震波斜入射作用对坝后式厂房上部结构的影响,构建了龙开口水电站二维厂坝整体连接有限元模型,根据粘弹性边界理论,编制了平面P、SV波斜入射波动程序,输入地震波采用抗震设计要求的人工波,分析坝后式厂房上下游墙的动力响应可知,P、SV波斜入射作用下坝后式厂房上下游墙的动力响应与垂直入射时明显不同,从位移来看,SV波入射角度越大,上下游墙体的水平向位移峰值越大,高程越高,水平向位移峰值变化越快;从应力来看,随着SV波入射角度的增大,应力控制点的第一主应力逐渐减小,而P波斜入射时应力的变化规律与SV波相反。

关键词：地震波斜入射坝后式厂房动力响应上下游墙

考虑地形效应与地震波斜入射的高墩连续刚构桥动力响应研究

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考虑地形效应与地震波斜入射的高墩连续刚构桥动力响应研究

作者：夏梅凯江西理工大学

学位级别：硕士

近年来地震的频发给人们带来了生命和财产上的威胁,桥梁作为重要的交通枢纽一旦遭到破坏后果将不堪设想。本文针对高墩连续刚构桥在考虑地形效应与斜入射下的地震响应问题做出了研究,以便为今后该类桥梁的抗震设计提供借鉴和参考,本文... 详细信息

近年来地震的频发给人们带来了生命和财产上的威胁,桥梁作为重要的交通枢纽一旦遭到破坏后果将不堪设想。本文针对高墩连续刚构桥在考虑地形效应与斜入射下的地震响应问题做出了研究,以便为今后该类桥梁的抗震设计提供借鉴和参考,本文主要做了以下几个方面的研究工作并得出相关结论:首先介绍了基于粘弹性人工边界地震波斜入射输入方法并基于Abaqus粘弹性人工边界建立二维矩形有限元模型进行P波和SV波斜入射下的算例验证。基于粘弹性人工边界通过Abaqus有限元软件建立了二维和三维共七个场地模型,其中包括了平地、凹形河谷和凸形山脊三类地形;通过分析地表观测点的地震响应值对比研究了P波和SV波两种波形在不同入射角度下各场地地表的地震响应特征,结果表明:地震波斜入射时各场地地表地震响应时间要滞后于垂直入射,入射角度越大,滞后现象越明显;相对于平地地形,河谷和山脊地形对地震动均具有明显的放大效应;河谷和山脊地形地表的地震响应值整体随高程的增大而增大,坡顶处的地震响应值最大;河谷和山脊地形坡高(斜坡坡度)更大时对地震的放大效应更明显;河谷场地左侧地表观测点(靠近入射波源一侧)水平向地震响应值整体要大于右侧,P波和SV波斜向入射(15?和30?)时相差更明显,说明河谷地形对水平向地震波的传播具有一定的屏蔽效应;总体上三维模型的地震响应值计算结果要略大于二维模型。以一实际桥梁为例,通过Abaqus建立三维高墩连续刚构桥有限元模型,将三维河谷(45?坡)场地地表各观测点的加速度时程作为地震动施加到桥梁模型中,结合不同波形和入射角度研究分析了凹形河谷场地对桥梁(纵桥向)地震响应的影响,结果表明:桥梁在P波和SV波垂直入射与斜入射时的地震响应情况存在明显差异;同一地震波形和入射角度下桥梁不同桥墩的地震响应结果也各不相同,总体来看,靠近坡顶处的低墩地震内力响应明显比坡底处的高墩要大,墩高相同的桥墩距离入射波源越近时水平向(纵桥向)地震响应值越大;针对桥梁所在河谷场地改变局部斜坡坡度,与原模型进行对比分析,结果表明,河谷地形局部斜坡坡度的变化对桥梁的地震响应影响不大。为了研究地形效应下地震波斜入射时桥墩不同设置参数对高墩连续刚构桥抗震性能的影响,建立不同桥墩截面形式及系梁设置参数的高墩连续刚构桥模型在P波斜入射下进行线弹性对比分析,结果表明:桥墩截面面积相同时实心墩较空心墩更能有效减小桥墩应力;截面尺寸和纵向刚度相同时,空心墩较实心墩更能有效减小桥墩应力;从动力因素上考虑,桥墩系梁设置道数越多刚度设置越大对抗震更不利。

关键词：地形效应地震波斜入射粘弹性人工边界高墩连续刚构桥桥墩参数

单双向地震波斜入射下拱坝-库水-淤沙-地基系统动力相互作用研究

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单双向地震波斜入射下拱坝-库水-淤沙-地基系统动力相互作用研究

作者：刘晓嫚昆明理工大学

学位级别：硕士

我国西部地区水力资源丰富,为充分的开发水能资源,无法避免的在高地震烈度区修建一批高拱坝工程,这势必带来诸多坝体抗震建设中的技术难题。在以往的研究中,常将地震动输入形式假设为垂直入射,这与实际地震运动呈现的随机性和多向性不符... 详细信息

我国西部地区水力资源丰富,为充分的开发水能资源,无法避免的在高地震烈度区修建一批高拱坝工程,这势必带来诸多坝体抗震建设中的技术难题。在以往的研究中,常将地震动输入形式假设为垂直入射,这与实际地震运动呈现的随机性和多向性不符,将直接影响计算结果的可信度。因此,在拱坝抗震分析中需要考虑无限地基阻尼的地震动输入机制、坝体-库水-淤沙-地基非线性动力相互作用、单双向地震波斜入射等重要因素。本文依托构建的拱坝有限元模型,深入研究了单向输入地震波斜入射对拱坝系统的影响,并对双向地震激励下的拱坝地震响应进行了探讨和研究。主要研究工作如下:（1）为了真实地模拟拱坝在地震作用下的动力响应,需考虑无限地基辐射阻尼效应,将所选取的黏弹性人工边界中底部边界的入射波场和侧边界的自由波场所对应的解析应力场,作为边界荷载来实现地震动的输入。基于上述边界波动输入方法,依据库坝系统的理论基础,综合考虑库底淤沙的影响因素,最终构建了坝体-库水-淤沙-地基耦合模型。模拟地震波斜入射时,将其分解为横河向及顺河向的振动分量,并计算出不同激励角度下对拱坝系统模型的地震响应。（2）在单向地震波斜入射的研究中,分别从拱坝下游地震动输入、拱坝上游地震动输入和拱坝坝基地震动输入这三种工况着手展开。首先在坝体及坝基各处选取代表性的参考点,为直观的验证地震波斜入射探讨的必要性,分析入射角（0°、15°）各参考点的X向和Y向的位移响应和主应力响应情况。进而将入射角扩大为（30°、45°、60°和75°）研究其不同激励角度下拱坝地震稳定性分析,证明出地震波斜入射作用下对拱坝系统的位移响应和主应力响应都存在较大程度的影响,结果表明入射角45°时均出现不利于拱坝抗震稳定性研究的最大值,即为最不利入射角度。（3）在双向地震波方面采取了以垂直入射地震波不同激励振动方向的方法对拱坝地震响应展开分析,以地震波绕拱坝坐标系旋转一定角度的输入形式作为本文的研究手段,得出双向地震波输入下坝体的位移或应力最大值并没有像单向地震波一样出现在传统意义上的横河向或是顺河向,而是与振动激励角度有关。结果表明双向作用下的地震响应明显大于单向情况,故不可忽视双向地震波输入对拱坝工程抗震评估的贡献。

关键词：高拱坝单双向地震地震波斜入射地震响应流固耦合