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高坝动水压力及气幕隔震机理研究

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英文文摘

第1章绪论

1.1概述

1.2大坝动水压力及气幕隔震研究现状

1.2.1动水压力的研究现状

1.2.2坝体——库体——地基动力系统的研究现状

1.2.3大坝气幕隔震的研究现状

1.2.4模拟地震振动台试验研究现状

1.2.5大坝抗震设计与隔震技术[95-96]

1.3本文的研究方法和主要成果

1.4小结

第2章坝——库(地基)动力系统的数值模型及有限元格式

2.1概述

2.2坝——库(地基)动力系统的数值模型及其有限元格式

2.2.1地震作用下的坝面动水压力

2.2.2坝体的运动方程和离散有限元格式

2.2.3坝库相互作用系统的耦合方程

2.2.4地基模型有限元格式

2.2.5坝水系统基频的求解方法

2.3算例

2.4小结

第3章水工气幕隔震机理及其数值模型

3.1概述

3.2气幕的隔震机理

3.2.1气体弹簧的粘弹性模型

3.2.2气体弹簧的滞弹性模型[109]

3.3气幕——库水一维压力波模型

3.4水工隔震气幕的动力模型

3.5水工气幕的有限元模型

3.5.1气幕单元刚度矩阵推导

3.5.2气幕单元的体积模量

3.5.3气幕隔震的有限元模型

3.6算例

3.6.1计算条件

3.6.2计算结果及分析

3.7小结

第4章大坝动力模型试验相似问题的研究

4.1概述

4.2模型试验相似理论

4.2.1相似条件

4.2.2相似定理

4.2.3弹性相似律

4.2.4动力相似

4.2.5相似法则与动力模型

4.3相似分析

4.3.1结构相似分析方法

4.3.2振动台试验模型相似条件的确定

4.4大坝动力模型相似关系推导

4.5实例分析

4.5.1重力坝动力模型相似关系

4.5.2拱坝动力模型相似关系

4.6相似问题

4.6.1相似比例问题

4.6.2相似误差问题

4.6.3结构模型尺寸与材料

4.7小结

第5章模型材料研究

5.1问题的提出

5.2研究现状

5.3模型材料的相似特性要求

5.4模型材料的配比和力学特性

5.4.1模型材料的骨料级配

5.4.2模型材料的研制

5.4.3模型材料的力学特性

5.5应用实例

5.5.1重力坝模型材料研制

5.5.2拱坝模型材料研制

5.6小结

第6章龙滩重力坝动力分析及气幕隔震研究

6.1 工程概况

6.2计算条件

6.3振型分析

6.4地震响应分析

6.4.1计算工况

6.4.2位移反应

6.4.3加速度反应

6.4.4坝体动应力反应

6.4.5动水压力反应

6.4.6讨论

6.5重力坝气幕隔震研究

6.5.1概述

6.5.2计算方法与工况

6.5.3气幕隔震对动水压力的影响

6.5.4气幕隔震对位移的影响

6.5.5气幕隔震时对加速度的影响

6.5.5水工气幕隔震对坝面应力的影响性能

6.6小结

第7章重力坝气幕隔震振动台模型试验及分析

7.1概述

7.2试验研究背景

7.3重力坝振动台试验的模型设计

7.3.1模拟原理

7.3.2模型设计

7.4模型制作

7.5重力坝模型振动台试验设计

7.5.1试验振动台

7.5.2振动台试验目的

7.5.3振动台试验的一般程序

7.5.4激振条件

7.5.5试验工况

7.6试验模型的数值模拟计算

7.7主要试验研究结果

7.7.1自振特性

7.7.2动水压力响应

7.6.3加速度反应

7.6.4位移响应

7.6.5应变测试结果

7.6.6模型与原型的比较分析

7.7小结

第8章拱坝气幕隔震振动台试验模型设计

8.1试验研究背景

8.2拱坝原型地震反应分析

8.2.1 工程概况与计算条件

8.2.2振型分析

8.2.3地震反应分析

8.2.4讨论

8.3拱坝系统振动台试验的模型设计

8.3.1模型分析

8.3.2地震输入波

8.3.3试验模型数值模拟计算

8.3.4模型设计

8.4小结

附图

第9章结论与展望

9.1结论

9.2展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文

声明

致谢

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摘要

坝库系统在地震时的相互作用是水工抗震设计的重要课题。研究大坝—库体—地基相互作用是当代高坝抗震分析的核心,难点在于大坝—库水相互作用或流固耦合问题,即动水压力问题。动水压力是危害坝体安全的一个不可忽视的重要因素,尤其是对高坝。弄清动水压力的分布规律,在工程抗震设计中,有针对性地采取符合科学原理的减震或隔震措施,对于提高大坝,尤其是强地震区高坝的抗震安全性具有重要的科学价值和实际意义。为此,本文密切结合国家自然科学基金项目(批准号:50379029),以动力试验为重点运用一系列数学、力学等理论在机理上对重力坝气幕隔震的“坝—库—地基—气幕系统”进行了深入研究,并进行了高拱坝气幕隔震的动力试验设计,提出了一些新思想、新方法。本文主要研究内容及其成果有: 1、首次完成了重力坝坝体—气幕—库体振动台模型试验,验证了高坝气幕隔震的理论分析和数值模拟的计算成果,进一步用动力试验手段揭示了大坝气幕隔震的机理以及抗震设计要点,表明模型试验的动水压力因气幕隔震的削减效果与数值模拟计算结果基本相符,有力地验证了高坝气幕隔震的科学意义和减震性能及其工程应用前景。 2、从方程分析法和量纲分析法的角度,分析了“重力坝坝体—库体—气幕系统”的相似关系。针对气幕的工作机理和特点,抓住系统的关键因素和主要的相似要求,并考虑试验的精度及制作模型的技术措施,确定了龙滩重力坝坝体—库体—气幕系统的相似关系。 3、根据模型材料的相似特性要求、模型材料的配比和力学特性,研制了龙滩重力坝坝体—库体—气幕系统中满足相似关系大型振动台模型试验的坝体模型材料配方、气室结构、试验方案及试验技术措施,并得到试验结果的检验,测试数据基本合理可信。 4、大型振动台动力模型试验的结果检验了非线性有限元数值分析模型和方法的适用性,这为进一步研究和运用大坝气幕隔震技术提供了计算方法和分析手段。 5、以重力坝坝体—库体—气幕系统振动台模型试验为基础,对拱坝坝体—坝基—库体—气幕系统进行了数值分析,确定了系统的相似关系,研制了坝体、坝基满足相似关系的材料配方,并对系统振动台试验进行了设计。 综上,为了探讨气幕的防震及隔震效果,本文对重力坝坝体—库体—气幕系统进行动力模型试验研究。试验结果及数值分析表明,气幕隔震时,重力坝坝面动水压力可降低65%以上,并对坝体在地震中的动力响应有较大的抑制作用。因此气幕在地震中具有良好的隔震性能,对提高高坝的抗震安全性具有重要的科学意义和实际价值。

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