地基辐射阻尼对高拱坝非线性地震反应的影响 Effect of radiation damping on nonlinear response of high arch dams.pdfVIP

水 利 学 报 2009年4月 SHUIUXUEBA0 第40卷第4期 文章编号：0559．9350(2009)04-(M．13-08 地基辐射阻尼对高拱坝非线性地震反应的影响 王进廷，潘坚文，张楚汉 (清华大学水沙科学与水利水电工程国家重点实验室，北京100084) 摘要：本文建立了一种拱坝一地基一库水系统地震反应分析的非线性有限元模型，可以同时考虑无限地基的辐射 阻尼、坝体混凝土损伤开裂非线性和坝体横缝非线性等影响高拱坝地震反应的关键因素。利用所建立的有限元模 型，以我国拟建的大岗山高拱坝为例，分析研究了地基辐射阻尼对坝体混凝土损伤开裂和坝体横缝开度的影响。 结果表明，地基辐射阻尼可以明显减小强地震荷载作用下，坝体中上部的损伤开裂程度和坝体横缝的最大张开度， 并改变其分布规律。 关键词：拱坝；强地震；辐射阻尼；混凝土损伤；横缝开度 中图分类号：TU435 文献标识码：A 近二、三十年内我国将建成一批300m级的高拱坝，其中不少是位于西南强地震区，如小湾(292m)、 坝设计的关键问题之一。关于强地震荷载作用下高拱坝的动力响应问题，国内外许多研究者已经开展 了大量的研究工作，取得了丰富的研究成果¨。30。研究成果表明，坝体一地基动力相互作用、无限地基 的辐射阻尼、坝体横缝的开合、坝体混凝土材料的非线性特性等都对高拱坝地震反应有重要影响，在地 震反应分析中都应予以合理考虑。但是，由于问题过于复杂，目前还没有一种计算模型可以同时考虑所 有这些因素的影响。一般都侧重于对某个因素，如拱坝横缝开合特性的模拟和研究¨。7】、无限地基辐射 阻尼的研究旧1；或者是某几个因素的影响分析研究，如考虑无限地基辐射阻尼时的坝体横缝开合分 析∽。12。、坝体横缝非线性和坝体混凝土材料非线性分析¨3“纠等。本文提出了一个可以同时考虑无限地 基辐射阻尼、坝体横缝非线性和坝体混凝土材料非线性的坝体一地基一库水系统的有限元非线性地震 反应分析模型，并以我国拟建的大岗山高拱坝为例，对考虑地基辐射阻尼时，坝体横缝的开合和坝体混 凝土的损伤开裂问题进行分析研究。 1计算模型 本文的研究对象为坝体一地基一库水系统。拱坝坝体和地基部分如图1所示，其中坝体部分考虑 横缝开合的非线性效应以及坝体混凝土损伤开裂的非线性特性；地基部分为无限地基，考虑地基辐射阻 尼的影响。对于库水部分，为简便计，忽略其可压缩性影响，采用我国水工建筑物抗震设计规范推荐的 附加质量方法近似模拟。 验，研究表明，横缝的张开可以限制拱向拉应力的发展，并可以改变坝体结构的自振特性。此后，一些学 者相继对这一问题进行了研究，建立了多种考虑横缝影响的拱坝地震反应分析模型H‘5’1¨14】。 收稿日期：2007—07-31 基金项目：国家自然科学基金项目50309005)；国家973资助项目(2007CB714100) 一413— 万方数据 横缝的模拟方式主要可以归纳为两种[7】：一种是接触单元模型，单元由2个互相重合或有微小间隙 的面组成，每个面通过4个结点定义；另一种是动接触模型，将横缝影响看作是三维动摩擦接触问题，通 过在缝两侧接触面上施加接触约束条件来确定满足接触约束条件和平衡条件的接触力。接触单元模型 通过对应结点的相对位移来描述横缝的张开、滑移状态，需要单元上下接触面严格满足点点对应。动接 触模型对横缝状态的描述是通过表征结点与接触主面相对位置关系的物理量加以判断，不再要求接触 两侧的网格完全匹配。因此，本文中选用动接触模型．L引。 横缝动接触模型由形成横缝的两个面组成，其中将一个定义为主面，另一个定义为从面。每一个从 面结点都唯一对应主面上的一个结点，称为锚点。锚点与该从面结点的连线方向即为锚点处的法线方 向，过锚点且垂直于法线的方向定义为锚点的切平面；从面结点与锚点之间沿法线和切平面方向的相对 距离则分别表征接触的张开度与滑移量。 考虑到横缝键槽的约束作用，本文在切向设置刚度很大的弹簧以限制切向的相对滑移，也可以通过 调整弹簧的刚度