基于ABAQUS的两种库水附加质量模型下重力坝动力分析.PDF

第12卷 第1期 中国水利水电科学研究院学报 Vol.12 No.1 2014年3月 Journal of China Institute of Water Resources and Hydropower Research March，2014 文章编号：1672-3031（2014）01-0098-06 基于ABAQUS的两种库水附加质量模型下重力坝动力分析 徐金英，李德玉，郭胜山 （中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100048） 摘要：库水附加质量反映了坝体与库水间的相互作用。本文以Koyna重力坝为例，基于ABAQUS并辅以部分 MATLAB程序计算了两种不可压缩性库水附加质量模型下坝体的自振特性。分析Koyna各计算条件下的自振频 率，结果表明：与库水有限元模型相比，Westergaard模型夸大了坝体与库水间的相互作用，应当进行折减，折减 系数取0.8较为适宜。考虑折减的Westergaard模型下坝体地震响应计算结果与实际震害更符合，从而验证了折减 系数的准确性。 关键词：ABAQUS；重力坝；动力分析；库水有限元；Westergaard；折减系数 中图分类号：TV642 文献标识码：A doi：10.13244/ki.jiwhr.2014.01.017 1 研究背景 重力坝作为挡水建筑物，地震时水库将产生动水压力，讨论动水压力的问题实际是一个库水耦 ［1］ ［2］ 合问题 ，因此，水体与坝体间的动力相互作用是其地震动力响应分析中的一个主要特点 。1933 ［3］ 年，美国学者Westergaard通过研究刚性直立坝面动水压力，提出了不考虑库水可压缩性 的附加质 量模型。许多研究者针对Westergaard研究中的假设条件开展了多方面的研究，但都假定坝面是刚性 的。毫无疑问，这一假定与大坝是可变形弹性体的实际情况相差较大。随着有限元技术的发展，人 ［4］ 们开始对坝体-库水间的动力相互作用展开研究。陈厚群等 通过白山拱坝模型实测以及三向电模拟 试验求得振型动水压力，发现有限单元数学模型给出的结果与试验结果很符合，而Westergaard模型 ［5］ 给出的结果偏大，建议对其进行折半修正。李德玉等 认为库水有限元模型能更好模拟库水对坝体动 力特性和地震动力反应的影响，而Westergaard模型夸大了库水的动力影响，建议在适当折减的基础 上采用，初步建议取0.7。虽然，库水有限元模型更符合实际的坝体-库水相互作用机理，但基于概 ［6］ 念简单、易于采用以及偏于安全等诸多因素的考虑，我国现行的抗震规范 在计算重力坝附加质量时 仍推荐采用Westergaard模型。所以，对简单的Westergaard模型进行折减，求解合理的拆减系数是一 件非常重要的工作。由于陈厚群、李德玉计算的折减系数均采用振动台试验数据得到的，本文作者 尝试采用数值编程来实现，并与李德玉结果进行比较，验证计算程序的准确性。 本文利用ABAQUS软件和MATLAB程序，通过计算两种附加质量模型下坝体的自振特性，得到 Westergaard模型相比于库水有限元模型下的折减系数，并利用ABAQUS软件分析考虑Westergaard模 型折减后的重力坝动力响应。 2 两种附加质量模型的基本原理 2.1 Westergaard模型 假定坝面是直立刚性的，库水上游方向无穷远，库底为刚性水平面，库水 作无旋小变形运动并忽略表面波影响，则动水压力表达式为： P = α ÿ