拱坝坝体—地基动力相互作用的振动台动力模型试验研究.pdfVIP

水 利 学 报 2003 年07 月 SHUILI XUEBAO 第7 期 文章编号：0559-9350 (2003) 07-0030-06 拱坝坝体—地基动力相互作用的振动台动力模型试验研究 1 1 1 1 李德玉 ，王海波 ，涂劲 ，张艳红 (1.中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100044) 摘要：在振动台上进行拱坝动力模型试验时，设置人工阻尼边界，以模拟地震时地震动能量向无限远域地基逸散的 地基幅射阻尼效应。选用液体作为阻尼材料，其厚度根据阻尼液体的黏滞系数、基础材料的弹性模量和密度确定。 试验同时模拟坝体—地基—库水的动力相互作用和坝体伸缩横缝的动力非线性影响。通过数值对比计算分析，验证 了同时计入上述诸多复杂因素影响拱坝系统动力模型试验研究的可行性。为今后进行类似试验研究，合理评价高拱 坝的抗震安全，探索了新的研究途径。 关键词：拱坝；无限地基辐射阻尼；振动台；模型试验 中图分类号：TV312 文献标识码：A 1 概 述 地震作用下拱坝—地基的动力相互作用是影响高拱坝地震动力响应的重要因素。长期以来，工程界采 用较多的地基模拟方式是R. W. Clough 教授建议采用的无质量弹性地基模型，这种模型假定地基为一种 实际并不存在的无质量仅有弹性的材料，避免了地震波在坝基岩石中的人为放大从而实现了地震荷载沿坝 体—基础交接面均匀输入。毫无疑问，这种模型时至今日仍不失为一种概念明确、应用方便的工程实用方 法。然而，实际拱坝地基是有质量的半无限体，地震波动能量将向无穷远处逸散，也即无限地基的辐射对 散射地震波动能量将起到一种吸能作用，即无限地基辐射阻尼效应。已有实测资料表明，对建于深山峡谷 的基底延伸很长、上下高差显著的高拱坝坝址，沿坝基交界面的地震动幅差和相差明显。显然，忽略上述 无限地基辐射阻尼效应以及地震动沿坝基交界面的不均匀性，对于空间整体作用效应明显的高拱坝将难以 完全真实反映坝体的实际地震响应。 针对这一影响拱坝地震动力响应的关键问题，国内外学者在数值模拟方面进行了大量的研究工作。 Chopra (1992) ［1］、张楚汉和金峰(1996) ［2］等采用边界元及无限边界元等模拟无限地基，以考虑远场无限地 基的辐射阻尼效应，并应用于小湾、溪洛渡等实际工程，结果表明，辐射阻尼效应可使拱坝地震响应降低 20%～30%。上述方法原则上讲仅适合于频域分析，难以适用于基岩介质中存在有可能进入非线性的节理裂 隙、断层和软弱夹层情况和坝体中构造缝和施工缝的接触非线性情况。近场波动数值模拟的解耦方法，由 于其 “解耦”特征，处理简单，精度可控，特别是克服了上述频域分析方法难以用于非均匀、非线性介质 波动问题的困难，因此，陈厚群［3］等(2001)发展了基于波动理论的、在合理计入无限地基辐射阻尼影响的 同时，也一并计及坝体缝面接触非线性、坝基岩体实际地质条件等综合影响的拱坝系统三维非线性有限元 地震波动响应分析方法，并应用于小湾、溪洛渡、龙羊峡、拉西瓦等高拱坝工程的抗震问题研究，计算成 果表明无限地基辐射阻尼对拱坝地震响应降低也十分显著，最大降幅可达50%。 收稿日期：2002-11-15 基金项目：国家自然科学基金重点项目 作者简介：李德玉(1962-)，男，河北霸州人，教授级高级工程师，主要从事水工结构抗震方面的研究。 30 水 利 学 报 2003 年07 月 SHUILI XUEBAO 第7 期 通过振动台动力模型试验，数值模拟方法以及试验本身的合理可靠性可得到有效的相互验证。对于影 响高拱坝地震动力响应的一些重要因素，例如伸缩横缝的非线性影响的数值理论模型，结合一些高拱坝工 程，已经陆续开展了一系列振动台动力模型试验验证的研究工作，试验与计算成果得到了相互印证［3～5］。 但