高面板堆石坝与库水系统动力流固耦合分析方法研究
发布时间：2020-08-03 11:30
【摘要】：对我国西部强震区建设的超高面板坝而言,合理地评价混凝土面板的抗震性能是面板坝可行性研究与抗震设计的重要环节。因此,在进行动力数值分析时,有必要对面板实施较为精细的模拟,而其中一个需要考虑的重要影响因素就是动水压力。现有的面板坝三维动力流固耦合分析一般不考虑库底与岸坡振动所激发的动水压力,即不能精确计算动水压力,并且对于250m～300m级面板坝,忽略动水压力是否可行仍有待研究,现有成果难以满足地震条件下高面板坝的安全评价要求。水工抗震规范所推荐的Westergaard简化方法具有诸多的局限性、不能精确地计算坝前动水压力,有必要采用精确的动水压力计算方法对Westergaard简化方法可能造成的误差进行细致的分析。在大坝与库水动力相互作用分析中,采用比例边界有限元方法(SBFEM)、有限元法(FEM)或边界元法(BEM)等数值方法处理不可压缩库水动水压力时得到的附加质量阵为满阵,当耦合系统自由度数达到一定的规模时,尤其对于具有较强非线性(弹塑性大坝)的数值计算,求解方程消耗了大量的计算时间。而且,当进行面板坝与可压缩库水系统的动力流固耦合分析时,频率无关的波能吸收边界的工程应用适用性也需要进一步讨论。针对上述问题,本文在前人研究成果的基础上,采用近年兴起的SBFEM模拟坝前库水,围绕地震条件下面板坝与库水非线性体系的动力流固耦合分析展开深入系统的研究。主要工作如下:(1)采用SBFEM模拟坝前棱柱形半无限域库水、FEM离散非线性坝体,建立基于FEM-SBFEM的面板坝-库水时域非线性动力流固耦合分析方法。研究地震条件下动水压力对混凝土面板动力响应的影响,揭示了坝前动水压力的分布规律及其对面板动应力的影响机理,即动水压力主要通过改变面板与堆石体之间的摩擦力来影响面板动应力。针对目前广泛应用的Westergaard集中附加质量法的局限性,研究其对面板动应力造成的误差,阐明了传统的Westergaard方法的误差机理,即面板的顺坡向动应力的误差主要由面板所受摩擦力的误差和集中附加质量的顺坡向(切向)力作用两个方面造成的。(2)采用SBFEM离散坝前复杂形状的有限域库水模型,提出了可考虑坝前三维复杂库区形状的坝前动水压力计算方法,验证了该方法的精度。并用该方法建立了面板坝-复杂形状有限域库区系统的动力耦合分析方法,对比分析不同库区形状(狭窄的拐弯河谷与棱柱形河谷)对面板动力特性的影响,同时验证棱柱形库区的动水压力计算方法对狭窄拐弯库水域的适用性。(3)大坝-地基网格跨尺度分析系统的坝体迎水面可能出现多边形网格,传统动水压力方法(三边形或四边形网格)不能直接用于此系统的动力流固耦合分析,需要对坝体迎水面的网格进行二次处理(增加了繁琐的工作)。基于SBFEM理论和多边形平均值形函数,构造了适用于棱柱状半无限域库区和三维复杂形状有限域库区的两种多边形流体单元,分别提出了基于SBFEM多边形单元的棱柱状半无限域库区和三维复杂形状有限域库区两种动水压力计算方法,验证了两者的精度,弥补了具有多边形网格的动水压力计算模型方面的空缺。将两种动水压力计算方法与已有的大坝(网格跨尺度)分析系统相耦合,建立了面板坝与库水系统网格跨尺度动力流固耦合非线性分析方法。针对坝前棱柱形半无限域库区,通过该计算模型分析了地震条件下动水压力对面板坝的堆石体动力反应的影响;针对复杂形状有限域库区,采用多边形网格跨尺度离散库水,减少了库水自由度、提高效率,并验证了该耦合方法的精度。(4)采用基于SBFEM的棱柱形半无限域可压缩库水模型计算动水压力,并将该模型与面板坝有限元模型耦合,建立了基于FEM-SBFEM的面板坝-半无限域可压缩库水非线性动力时域耦合分析方法,分析了库水可压缩性对坝前动水压力分布和面板坝动力响应的影响。此外,对于可压缩库水计算模型,采用截断频率的方式,降低了频域求解的计算量,改进了可压缩库水的动水压力计算方法,进而建立了改进的面板坝与可压缩库水动力耦合非线性分析方法,并验证了精度。对于库区沉积层,还探讨了与频率无关的波能吸收模型的工程应用适用性,建议在进行面板堆石坝工程动力抗震分析时,采用不可压缩库水模型来计算坝前动水压力。(5)对于不可压缩库水模型,采用化简附加质量阵的方式在保证精度的前提下提高计算效率,建立了高效的大坝-库水动力流固耦合简化分析方法,验证了该方法的精度。采用面向对象设计方法,在GEODYNA软件平台二次开发了基于SBFEM的等参/多边形库水单元,实现了基于FEM(或SBFEM)-SBFEM的大坝和地基-库水系统(网格跨尺度)动力相互作用的高性能精细化分析,并应用于实际面板坝工程的分析,结果表明Westergaard集中附加质量方法会对面板顺坡向应力造成很大的误差,在面板坝工程抗震设计和研究中,应采用更精确动水压力计算方法来更合理地评价其抗震性能。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV312
【图文】：
。稳定、高速的步伐，用电水平也随之快速提高；２０１７年，我国全社会用电量高达逡逑万亿千瓦时，同比X棾ぃ叮叮ィ谀壳敖虾玫木梅⒄骨魇疲缌π枨笕匀换嵩谝诲义掀谀谖指咚僭龀ぃ郏保荨Ｎ愎揖梅⒄沟男枨螅晒曳⒄垢母镂⒐夷茉村义喜嫉摹兜缌Ψ⒄埂笆濉惫婊分赋觯剑玻埃玻澳辏夜司盎黄疲保辞撸义暇玫缌拷锏剑担埃埃扒呤弊笥遥ㄓ耄玻埃玻澳甑模牵模蟹⒄骨榭鱿嗍视Γ咏械儒义洗锕宜健Ｍ被肪潮；の侍馊匀皇艿焦刈ⅲ夜凇笆濉逼诩浠峒绦平苠义狭煊虻母锩氐惴⒄骨褰唷⒌吞肌⒙躺哪茉矗郏玻荨Ｃ禾康娜忌帐窃斐纱笃廴镜闹麇义弦蛩刂唬晒裨河》⒌摹丁笆濉笨刂莆率移迮欧殴ぷ鞣桨浮防锾岬剑剑玻埃玻板义希笮头⒌缙笠涤刂频ノ还┑绲
本文编号：2779564
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TV312
【图文】：
。稳定、高速的步伐，用电水平也随之快速提高；２０１７年，我国全社会用电量高达逡逑万亿千瓦时，同比X棾ぃ叮叮ィ谀壳敖虾玫木梅⒄骨魇疲缌π枨笕匀换嵩谝诲义掀谀谖指咚僭龀ぃ郏保荨Ｎ愎揖梅⒄沟男枨螅晒曳⒄垢母镂⒐夷茉村义喜嫉摹兜缌Ψ⒄埂笆濉惫婊分赋觯剑玻埃玻澳辏夜司盎黄疲保辞撸义暇玫缌拷锏剑担埃埃扒呤弊笥遥ㄓ耄玻埃玻澳甑模牵模蟹⒄骨榭鱿嗍视Γ咏械儒义洗锕宜健Ｍ被肪潮；の侍馊匀皇艿焦刈ⅲ夜凇笆濉逼诩浠峒绦平苠义狭煊虻母锩氐惴⒄骨褰唷⒌吞肌⒙躺哪茉矗郏玻荨Ｃ禾康娜忌帐窃斐纱笃廴镜闹麇义弦蛩刂唬晒裨河》⒌摹丁笆濉笨刂莆率移迮欧殴ぷ鞣桨浮防锾岬剑剑玻埃玻板义希笮头⒌缙笠涤刂频ノ还┑绲
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