拱坝孔口地震反应分析的有限元子模型方法

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1、第33卷第3期水力发电学报Vol.33No.32014年6月JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGJun.,2014拱坝孔口地震反应分析的有限元子模型方法宋良丰,武明鑫,王进廷,徐艳杰(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:在高拱坝地震反应的整体有限元分析中,由于计算规模的限制,通常难以准确模拟孔口等细部构造的影响。针对这一问题,本文研究了拱坝孔口地震反应分析的有限元子模型方法。以带横缝非线性拱坝为研究对象,分析了子模型计算的网格加密方式,线弹性材料情况下孔口局部区域的应力分布,以及非线性材料

2、情况下孔口区域的损伤开裂情况。分析结果表明,加密的子模型与整体模型相应位置的计算结果吻合良好,子模型方法可以反映孔口细部结构的应力应变变化以及损伤分布特性,为高拱坝细部结构的动力反应分析提供了一种高效手段。关键词:水工结构;地震反应;子模型;拱坝;孔口;损伤中图分类号:TV31文献标识码:AFEsub-modelmethodforseismicresponseanalysisoforificeregioninarchdamsSONGLiangfeng,WUMingxin,WANGJinting,XUYanjie(StateKeyLaboratoryof

3、HydroscienceandEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084)Abstract:Accuraterepresentationofdetailedstructuresisusuallyrestrictedbyexpensivecomputationalcostsinseismicanalysisofhigharchdams.Tosolvetheproblem,thispaperdescribesasub-modelmethodthatcanrefinethemeshinparticularregi

4、onsanditsapplicationtostaticanddynamicanalysesofanorificestructureinahigharchdamwithnonlinearjoints.Thismodelisfirstusedtosimulatethestressdistributionintheorificeregionforthecaseoflinearelasticmaterial,andthentocalculateandexaminethedamagestatefornonlinearmaterial.Theresultsind

5、icatethatthesub-modelcalculationswithmeshrefinementofthestructuredetailsagreewellwiththoseofaglobalorificemodel.Thesub-modelmethodprovidesvariationsinboththestress/strainstateandthedamagecharacteristicsintheorificeregionanditprovestobeanefficientapproachtoseismicresponseanalysis

6、ofdetailedstructuresinhigharchdams.Keywords:hydraulicstructures;seismicresponse;sub-modelmethod;archdam;orifice;damage0引言混凝土大坝的孔口部位属于应力奇异区,易产生较高的局部应力,导致附近区域的材料开裂,因此是[1]大坝设计中较为关注的问题之一。但是在地震反应分析时,如果使用整体有限元模型模拟孔口等细部结构的几何特征,须要采用比较精细的网格,这样将使计算模型的自由度数急剧增加。因此在高混凝土坝地[2~5]震反应分析中通常忽略孔口等细部

7、结构的影响。[1]有限元子模型分析方法是对大型复杂有限元整体模型进行局部精确分析的一种方法,可在保证计算精度的前提下大大减少计算的规模与花费的时间。目前,关于子模型分析方法国内已有较多的应用研究[1,6~9];文献[6]进行了拱坝线弹性有限元子模型静力分析;文献[7]进行了拱坝线弹性非线性有限元子模型静力分析;文献[1]、文献[8]进行了拱坝非线性有限元子模型静力分析;文献[9]进行了拱坝横缝非线性有限元子模型动力算例分析,验证了子模型方法在动力荷载下运用的有效性。本文以大岗山拱坝为研究对象,考虑地震作用下横缝张开,探讨在静、动力组合作用时有限元子模型

8、分析方法的实现方法,并研究孔口对坝体区域应力状态的影响以及孔口区域损伤开裂状态,综合考虑了材料

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