高拱壩地震損傷開裂的大型數(shù)值模擬.pdf

1、圍繞西部大開發(fā)的戰(zhàn)略決策，實施西電東送，多座高壩大庫在西南地區(qū)進行建設(shè)。其中拱壩壩型得到廣泛采用。鑒于西部強震區(qū)拱壩抗震安全的重要性，本文依托國家自然科學(xué)基金重點項目(50139010)和(90510018)，針對強震區(qū)高拱壩抗震安全的大規(guī)模數(shù)值模擬進行了深入的研究。 1.高拱壩在強震作用下可能出現(xiàn)損傷、產(chǎn)生裂縫，對高拱壩進行全面的抗震安全評價應(yīng)考慮這種非線性行為?；炷猎诩氂^尺度上是非均勻的，細觀非均勻性已成為研究混凝土結(jié)構(gòu)損

2、傷開裂的一個突破口。對高拱壩來說，無法也無必要精確界定這種非均勻性。在將拱壩有限元網(wǎng)格足夠細分的前提下，近似認為單元內(nèi)部為均勻材料，細觀不均勻性的影響通過單元的材料屬性隨機分布來表征。同時，單元尺寸足夠小時，塑性和各向異性等被弱化，采用彈性損傷本構(gòu)關(guān)系和帶拉伸截斷的摩爾-庫侖準則來模擬混凝土的非線性行為。對大崗山拱壩的地震損傷破壞模擬獲得了和振動臺模型試驗吻合的結(jié)果，證明了該數(shù)值模型的有效性。同時，這種模型實施方便、計算效率高，便于大規(guī)

3、模計算，而且可模擬拱壩從出現(xiàn)微裂縫到出現(xiàn)宏觀裂縫的過程。在此基礎(chǔ)上，研究了拱壩橫縫以及無限地基輻射阻尼對拱壩損傷破壞的影響。 2.目前可用于三維高拱壩大規(guī)模高效數(shù)值模擬的拱壩-地基相互作用方法少見。Wolf和Song提出的阻尼溶劑抽取法通過在近場地基有限域內(nèi)施加人工阻尼再移頻抽取的方法，模擬無限地基輻射效應(yīng)。該方法避免了卷積，具有應(yīng)用于大規(guī)模計算的潛力。然而，目前該方法在相互作用中的應(yīng)用僅限于二維問題，且計算效率低、計算容量小。

4、本文將該方法推廣至三維，并在算法和矩陣存儲格式方面進行了專門研究，建立了針對大規(guī)模計算的高拱壩-無限地基動力相互作用時域模型。對該模型進行了算例驗證并建議了參數(shù)取值：dl/b=1～1.5及l(fā)=2～3b。其中b為基礎(chǔ)特征尺寸，l為地基模擬范圍，d為施加的無量綱人工阻尼。該模型在高拱壩地震損傷破壞模擬中的應(yīng)用表明，考慮無限地基輻射阻尼后，拱壩損傷破壞情況明顯減輕。 3.有限元大規(guī)模分析中，若計算能力有限，可根據(jù)計算要求在有限元模型內(nèi)

5、布置疏密不等的網(wǎng)格，并采用特定的網(wǎng)格過渡技術(shù)來保證交界面處的協(xié)調(diào)性。本文提出了三種疏密網(wǎng)格過渡的方法。彈簧節(jié)理單元為在界面過渡單元的基礎(chǔ)上，引入虛擬節(jié)點和子單元，在子單元中應(yīng)用節(jié)理單元思想，并將虛擬節(jié)點凝聚掉，可保證界面兩側(cè)的位移和應(yīng)變協(xié)調(diào)。主從自由度法是通過將界面非協(xié)調(diào)節(jié)點的位移表示成協(xié)調(diào)節(jié)點位移的函數(shù)，從而將非協(xié)調(diào)節(jié)點凝聚掉，可保證界面兩側(cè)的位移協(xié)調(diào)和剛度匹配。新型十三節(jié)點單元通過將母單元積分域分成四個子域，構(gòu)造線性插值函數(shù)，然后分

6、別在四個子域中進行數(shù)值積分，完全消除了普通變節(jié)點單元界面位移不協(xié)調(diào)的缺陷。三種模型的精度及實用性均經(jīng)過驗證，其中新型十三節(jié)點單元還應(yīng)用于考慮無限地基輻射阻尼的高拱壩地震損傷破壞分析。 4.大型工程項目如高拱壩的快速精細大規(guī)模數(shù)值模擬對計算能力和速度提出了越來越高的要求，另一方面物理光速的限制以及VonNeuman體系本身的瓶頸使得串行計算機的發(fā)展不能滿足需求。采用高性能并行計算是解決這一矛盾的根本途徑。本文采用4臺普通微機和高速