不同边界效应的渡槽地震动破坏模式研究_黄万超.pdf
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1、收稿日期:20220210基金项目:国家重点研发计划项目(2018YFC0406901);国家自然科学基金资助项目(51979109);河南省重点研发与推广项目(192102310015);河 南 省 科 技 创 新 人 才 计 划 项 目(174200510020);河南省高校科技创新团队支持计划项目(19ITSTHN030);河南省科技攻关计划项目(162102210074)作者简介:黄万超(1999),男,贵州兴仁人,硕士研究生,从事水工结构抗震方面的研究工作通信作者:张程(1993),男(苗族),湖南怀化人,硕士,从事水资源管理及水工结构抗震方面的研究工作E-mail:zcheng_h
2、y 163com【水利水电工程】不同边界效应的渡槽地震动破坏模式研究黄万超1,王彤彤2,张程1,3,4,刘旭辉1,蒋莉1,5(1华北水利水电大学 水利学院,河南 郑州 450046;2水利部 南水北调规划设计管理局,北京 100038;3长江水利委员会 长江科学院,湖北 武汉 430010;4流域水资源与生态环境科学湖北省重点实验室,湖北 武汉 430010;5大连理工大学 建设工程学部,辽宁 大连 116085)摘要:探讨了黏弹性边界和无限元边界理论与方法,就二者边界对波能的吸收效果进行了验证;并结合南水北调某大型渡槽工程实际,建立渡槽地基边界耦合高精细化数值模型,引入混凝土塑性损伤本构进行
3、抗震时域分析,研究地震作用下渡槽结构的动态损伤机制。结果表明:两种边界对波动能量的消散均有很好的控制成效;两种边界计算结果规律相似,位移响应在 x 向差异为1109%2532%;强震响应下渡槽结构的墩帽、墩身及承台与墩身连接处出现不同程度的损伤,在结构设计时应对这些部位着重关注。此外,相比于黏弹性边界,无限元边界设置简便、工作效率高,可为动力计算中边界处理提供参考。关键词:渡槽结构;黏弹性边界;有限元无限元耦合边界;塑性损伤本构;动力损伤机制中图分类号:TU352文献标志码:Adoi:103969/jissn10001379202307026引用格式:黄万超,王彤彤,张程,等不同边界效应的渡槽
4、地震动破坏模式研究 J 人民黄河,2023,45(7):140146Study on Seismic Failure Modes of Aqueduct Under Different Boundary EffectsHUANG Wanchao1,WANG Tongtong2,ZHANG Cheng1,3,4,LIU Xuhui1,JIANG Li1,5(1School of Water Conservancy,North China University of Water esources and Electric Power,Zhengzhou 450046,China;2Bureau o
5、f South to North Water Transfer of Planning,Designing and Management,Ministry of Water esources,Beijing 100038,China;3Changjiang iver Scientific esearch Institute of Changjiang Water esources Commission,Wuhan 430010,China;4Key Lab of Basin Water esources and Eco-Environment Sciences in Hubei Provinc
6、e,Wuhan 430010,China;5Faculty of Infrastructure Engineering,Dalian University of Technology,Dalian 116085,China)Abstract:The theories and methods of viscoelastic boundary and infinite element boundary were expounded and discussed,and their effectson wave energy absorption were verified Combined with
7、 the practice of a large aqueduct project of South-to-North Water Transfer Project,ahighly refined numerical model of aqueduct foundation boundary coupling was established,and the plastic damage constitutive model of con-crete was introduced for seismic time-domain analysis to study the dynamic dama
8、ge mechanism of aqueduct structure under earthquake Theresults show that the two boundaries have good control effects on the dissipation of wave energy The calculated results of the two boundariesare similar,and the difference of displacement response in x direction is 1109%2532%Under strong earthqu
9、ake response,the pier cap,pier body and the connection between bearing platform and pier body of aqueduct structure are damaged to varying degrees Attention shouldbe paid to these parts in structural design In addition,compared with the viscoelastic boundary,the infinite element boundary is simple a
10、ndefficient The IEM boundary can provide a reference for boundary treatment in dynamic calculationKey words:aqueduct structure;viscous-spring boundary;FEM-IEM coupling boundary;plastic damage constitutive model;dynamicdamage mechanism近年来,我国修建了一系列长距离调水工程,为解决国家水资源分布不均、促进水资源短缺地区可持续发展发挥了关键作用。渡槽广泛应用于长距离输
11、水工程,是南水北调工程的主要输水建筑物,其稳定性在地震荷载作用下的动态响应规律是广大学者们关注的重点。Huang 等1 基于 SIMULINK 动态程序,建立渡槽隔震控制结构有限元模型,再现了地震响应下渡槽结构动力损伤特性;季日臣等2 选取不同地震波对渡槽结构进行抗震研究,证实了槽内水体对结构影响较大;王保定等3 对渡槽结构进行地震作用下线弹性和非线性分析,验证了两者的位移反应存在巨大差异。目前,对渡槽结构的抗震研究主要有地震波输入、041第 45 卷第 7 期人民黄河Vol45,No72023 年 7 月YELLOWIVEJul,2023结构内部动水压力模拟及减震措施等,对边界处理的研究相对
12、较少。对结构进行抗震分析时,合理选取边界尤为关键。李遇春等4 在研究地震作用下流体对渡槽槽身的晃动影响时采用了边界元法,证实了精准模拟无限域地基的重要性。刘晶波等5 基于黏弹性边界理论实现了三维一致黏弹性边界,证实其具有较强的可用性。何建涛等6 对此方法进行了改进,使其计算效率更高。梁钟元等7 基于黏弹性边界进行渡槽抗震分析,证明了黏弹性边界的合理性。相较于黏弹性边界,无限元方法更为简便适用。Ungless8 最早提出无限元理论,Zienkiewicz 等9 在此基础上提出映射无限元。戚玉亮等10 对地震动输入问题进行研究并对无限元理论加以改进,提出了考虑地震影响的无限元人工边界,结果表明此边
13、界比固定边界和黏弹性边界对波的散射效果更优越。在三维多向映射问题研究领域,无限元人工边界较为新颖,目前此方法在工程中尚未得到很好的应用。南水北调工程中的渡槽高度大、跨度长,抗震特性复杂,研究渡槽在地震作用下的损伤发展规律并进行安全评估对保障南水北调工程正常运行具有重要的工程实际意义。本研究利用黏弹性边界、无限元边界对无限域地基进行模拟,反映出不同边界中波动能量的差别,为结构动力响应研究中合理选择 边 界 提 供 参 考,同 时 引 入 混 凝 土 损 伤 塑 性(concrete damaged plastic,CDP)本构,对渡槽结构在强震作用下的动力破坏发展规律进行研究。1基本理论11无限
14、元基本原理假设边界相邻处动力变化幅值较小,介质变形为线弹性,则基本平衡方程为+x=0(1)式中:为加速度,x 为位置距离,为材料应力,为水密度。式(1)中 为=+2G(2)式中:为应变;为拉梅常数,=E(1+)(12),其中 为泊松比、E 为弹性模量;G 为剪切模量,G=E2(1+)。假设 为小应变,则=12ux+ux T(3)式中:u 为位移。u 运动控制方程可表示为i=G2uixixj+(+G)2ujxixj(4)假定平面波沿 x 轴传播,式(5)中第一式表示平面纵波,第二、三式表示剪切波。ux=f(xcpt)(uy=uz=0)uy=f(xcst)(ux=uz=0)uz=f(xcst)(u
15、x=uy=0)(5)式中:cp=+2G;cs=G;t 为时间,、+分别表示 x轴正、负向。通过在有限域与无限域交界处引入阻尼常数 dp、ds,以此规避 p 波(平面纵波)和 s 波(剪切波),在 xL的有限介质内反射,则阻尼应力为xx=madpuxxy=dsuyxz=dsuz (6)在 x=L 即边界截断位置,应力值xx=(+2G)(f 1+f 2),余应力分量ij=0,速度ux=cp(f 1f 2),即(+2Gdpcp)f 1+(+2G+dpcp)f 2=0(7)令f 1=0、f 2=0,即可保证在边界截断位置入射波不会反射,则阻尼表达式为dp=+2Gcp=cp(8)同理,剪切波阻尼为ds=
16、cs(9)无限元单元在几何上趋于无穷,应用无限元边界进行结构动力计算分析时,需精确计算边界阻尼值,阻止入射波在边界产生反射。12黏弹性边界基本原理文献 6 对黏弹性边界理论进行了详细推导,本研究不再赘述。为验证本文所述黏弹性边界的效果,采用无量纲单位,按 1105 进行建模(见图 1)。(a)黏弹性边界模型(b)入射波模型图 1黏弹性边界验证模型模型弹性模量为 4 GPa、泊松比为 025、密度为1 kg/m3,按 005 划分网格、计算持时 5 s、增长步 001141人 民 黄 河2023 年第 7 期s。选取的黏弹性边界入射波位移曲线见图 2,其数值模拟结果见图 3。从图 3 中可以清楚
17、看到,顶部中心位移最大值分别在 025、050 s 时出现,比底部中心最大值高出1 倍,由此可以证明本研究对黏弹性边界进行了正确施加。图2黏弹性边界入射波位移曲线图 3数值模拟结果13CDP 本构模型假定材料各向同性受压和受拉从而导致损伤破坏。依据 ABAQUS 塑性损伤理论,则总应变张量 为=el+pl(10)式中:el为弹性应变率,pl为等效塑性应变率。当混凝土无损伤时,其应力应变关系为=Del(+pl)(11)式中:为总应力,Del为弹性刚度。三维多轴状态下,受损混凝土可用损伤弹性方程表示:=(1d)=(1d)Del(pl)(12)式中:为有效应力;d 为材料损伤因子,取值为 0 1(混
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