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高拱坝动力响应分析若干关键技术问题研究

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摘要

在我国西部进行水电能源开发，对多地震国家的强震区来说，高坝抗震安全问题是目前我国水电科技工作者必须面对的一个严重挑战，也是确保工程顺利与运行安全的关键科学与技术课题。对高坝进行抗震安全性评价，需要涉及“坝址地震动输入”、“大坝结构体系的地震响应”、“筑坝材料的动态性能”等相互配套的三个方面的问题。为此，本文以高拱坝为工程应用背景，重点对了以下若干关键技术问题进行了深入研究。 （1）基于人工地震波生成理论，运用Matlab编写了相应的人工波生成程序，并且按规范反应谱生成了各类场地人工地震波；基于最小二乘拟合法与单自由度地震动力反应递归法相结合，对地震波时域数值算法进行了优化探讨，运用Matlab编写了优化算法的计算程序，通过数值算例和工程应用说明该方法可以有效地消除积分位移基线漂移现象。 （2）根据粘弹性人工边界的理论及其波动输入方式，运用APDL参数化程序编写了实现粘弹性人工边界及其波动输入的程序；通过三维数值算例验证了所编写程序的正确性、可靠性。 针对无限域、半无限域问题，利用ABAQUS中的无限单元库，实现了有限元和无限元的无缝连接，即有限元-无限元法。通过一数值算例说明了实现的有限元-无限元耦合程序的正确性；对KOYNA重力坝进行了静力分析，体现了有限元-无限元法静力计算的精确性。然后，验证了有限元-无限元法动力计算的精度：基于ABAQUS的有限元-无限元法动力计算时具有与粘性边界相同的精度。 （3）以ANSYS软件为前处理平台，运用APDL和UIDL开发了拱坝参数化、可视化三维有限元建模程序，以白鹤滩双曲拱坝、万家口子单曲拱坝方案、麒麟观双曲拱坝有限元建模为例，说明了该程序的建模过程更为直观、方便、快捷。 （4）以小湾抛物线双曲拱坝为算例，建立了三维有限元模型，编写了计算模型从ANSYS导入到ABAQUS的接口程序。然后在ABAQUS和ANSYS程序中分别编写了考虑动水压力影响的附加质量单元程序，对小湾拱坝的动力特性进行了计算分析，经验证两种程序吻合的很好。 采用振型分解反应谱法，对整体拱坝在正常蓄水位遭遇设计地震时进行了静动力计算分析。拱坝应力按规范要求采用分项系数极限状态表达式控制。对上下游面进行了应力极限状态验算。结果表明，小湾拱坝在正常蓄水位遭遇设计地震时，混凝土材料的抗压和抗拉强度均满足承载能力极限状态设计式，满足规范要求；大坝的抗压强度具有较大安全裕度。 （5）通过ANSYS接触单元模拟小湾拱坝横缝，考虑了拱坝横缝及其数量对拱坝抗震性能的影响。首先通过静力分析设置了合理的接触单元参数，然后对不同条数的分缝拱坝进行了时程动力分析。 （6）文章最后根据研究成果提出了一些具有一定学术价值的结论以及与实际工程密切关联的建设性建议，并对未来发展趋势进行了展望。

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