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拱坝—库水—地基系统地震反应分析研究

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1绪论

1.1引言

1.1.1研究背景

1.1.2拱坝的结构特点

1.2拱坝的抗震

1.2.1拱坝的抗震现状

1.2.2地震响应分析的发展过程

1.2.3有限元法及其应用现状

1.2.4拱坝-地基-库水相互作用问题的发展状况

1.2.5结构-地基相互作用问题的发展状况

1.3问题的提出

1.4本文的主要研究内容

2拱坝地震应力分析的有限元方法

2.1有限元结构动力分析理论

2.1.1动力计算基本方程

2.1.2动力方程的求解方法

2.2结构体系自振周期、振型计算

3拱坝-地基-库水有限元模型的建立及在ANSYS中的实现

3.1粘弹性人工边界

3.1.1二维粘弹性人工边界

3.1.2三维粘弹性人工边界

3.2粘弹性人工边界在ANSYS中的实现

3.3粘弹性人工边界算例考证

3.4拱坝结构的结构-水体耦合求解

3.5结构-水体耦合求解在ANSYS中的实现

3.6时程分析方法理论以及在ANSYS中的实现

3.6.1时程分析以及地震波的选择

3.6.2时程分析在ANSYS中的实现

4工程算例分析

4.1工程概况

4.2基本资料

4.3荷载组合及计算工况

4.4有限元模型

4.4.1基本计算假定

4.4.2模型与坐标系选取

4.4.3计算模型的边界条件处理

4.5静力计算结果及分析

4.6拱坝的动力响应分析

4.6.1模态分析

4.6.2时程分析

5结论与建议

5.1结论

5.2建议

致谢

参考文献

附录

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摘要

我国水能资源十分丰富,理论蕴藏量约为6.67亿KW,根据最新调查结果,可开发容量可达5.29亿KW,均居世界首位,开发程度不足20%。我国水能资源的80%集中于西部,特别是西南地区。但是该区坝址都由强烈区域性地质构造形成,西部水电开发难以避让高地震区。地震作用和高拱坝结构地震反应都十分复杂。迄今,国内外在强地震区修建高拱坝的工程实践经验很少,更无经受过强震考验的事例。而其一旦遭受震害失事,次生灾害后果将十分严重。高坝大库抗震安全必须谨慎对待,面对缺乏先例的新的问题和挑战,亟需建立大坝抗震的创新理念。 本文通过研究结构动力分析理论、流固耦合的分析理论以及局部人工边界方法,建立拱坝-库水-地基相互作用的有限元模型。在结构-地基相互作用的问题上,通过研究波动理论,提出了粘弹性人工边界,借助APDL语言编制了三维粘弹性人工边界在ANSYS中的计算程序,计算表明,用粘弹性人工边界模拟无限域地基,不但可行而且精度较高,符合实际情况;本文还用APDL语言编制了动水压力求解模块,最终实现了拱坝-库水-地基的耦合求解;最后还用APDL语言编制了地震波的自动输入和时程分析模块。 通过用ANSYS建立的有限元模型,分别对拱坝进行了模态分析和静、动力分析。由计算的结果可知,满库要比空库时频率小,且振型符合规律;通过对比静动力计算结果,发现某些部位动力计算结果明显比静力大,而且静力计算时的压应力区在动力计算时会出现拉应力。 通过对结果的分析可以看出,建立的拱坝-库水-地基相互作用的模型,是对拱坝进行动力分析的一种可行的、有效的方法

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