强震下高土石坝不同地震动输入特性评价.pdf
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1、第 卷第 期 年 月水 力 发 电 .强震下高土石坝不同地震动输入特性评价冯燕明 王 琪 朱 晟(中国电建集团昆明勘测设计研究院有限公司 云南 昆明 水电水利规划设计总院 北京 河海大学水利水电学院 江苏 南京)摘 要:基于实测波功率谱合成多点地震动对紫坪铺混凝土面板堆石坝进行多点输入动力有限元计算 并与实测波地震动输入进行比较 研究结果表明 强震下大跨度土石坝地震动多点输入与实测波单点输入动力反应分布规律一致 由于多点输入的相干效应和行波效应使得多点输入时地震反应有明显减小 大坝竖向永久变形、最大动剪应力在多点输入时较小关键词:高土石坝 地震动 多点地震输入 单点地震输入 特性评价 数值模拟
2、 .中图分类号:文献标识码:文章编号:()收稿日期:作者简介:冯燕明()男 云南玉溪人 高级工程师硕士 从事水利水电工程安全设计与实施.0引言现阶段的土石坝地震反应分析 大多采用单点输入法 假定到达地表面各点的地震动时程是相同的 但实际的地震波受到不同场地条件、路径条件等因素的影响 到达地表面上各点地震动都是不相同的 同时 限于目前人类对地震现象的认识水平和强震观测的技术条件 难于对地震的发生和地震波传播作出准确的预报 因此对于大跨度的土石坝有必要通过人造地震动时程来模拟真实地震过程对不同地震动输入特性进行评价 等进行了土石坝在行进波地震作用下的动力分析 分析了一个理想均质的弹性土坝 计算中假
3、定地震波是水平方向传播的剪切波 得到行进波计算的结果与按照刚性基岩的结果有较大差别 且偏于不安全 沈珠江等深入研究了行进波在土石坝中的动力反应认为土石坝不考虑行进波的影响偏于不安全 等考虑了相干效应和波的传播性 提出了基于相干函数模拟空间变化的地面运动方法 屈铁军和王前信在 研究的基础上 提出了一套较完整的空间相关多点地震动合成方法 求解地震动沿管线的反应时程 为确定延伸型结构物各激励点的地震动时程提供了方法 年 月 日 四川省汶川县境内发生了里水 力 发 电 年 月 .氏 级地震 距震中仅 的紫坪铺混凝土面板堆石坝经受了地震烈度度的浅源近震考验 并且地震动输入模式有别于常规模式 因此本文根据
4、文献 并考虑到地震动不同方向的相关性 合成多点多向地震动 基于实测波功率谱合成多点地震动对紫坪铺大坝进行多点输入动力有限元计算并与汶川地震大坝坝址实测波输入进行计算比较对地震动不同输入方式进行评价1单点及多点地震动合成理论 单点地震动合成采用 和 提出的三角级数法来合成单点地震动 非平稳的地震动加速度时程可表示为如下目标函数()()()()式中()为强度包络函数、分别为第 个频率分量的幅值和频率 为()区间内均匀分布的随机相位角 为时间根据公式()可以构造一个平稳高斯过程()()()通过给定的功率谱密度函数可以求得公式()中三角级数各分量幅值()/()式中 /为平稳随机过程()的总持续时间()
5、为功率谱密度函数式()的过程是具有功率谱密度函数()的零均值平稳高斯过程 如果目标函数模拟的是加速度反应谱 因此需建立功率谱与反应谱的转化关系采用 提出的功率谱与反应谱转化的经验公式 即()()()()式中()()为给定的目标加速度反应谱 为自振频率 为最大加速度 为阻尼比 为年超越概率文中利用实测波功率谱合成地震动时 直接通过实测波时程求出地震波功率谱 并代入到公式()中计算三角级数的求和采用快速傅里叶变换()文中由于模拟“”汶川地震地震动 地震平稳段持续时间相当长 采用单峰值包络函数不能够很好地说明地震动强度随时间的变化 因此 采用 和 提出三段包络线的多峰状 强 度 包 络 函数 即()
6、/()式中 为衰减系数、分别为平稳段的开始时间和结束时间霍俊荣等考虑到包络函数受到多种因素的影响 如场地条件、震中距、震级、强震持时等 提出了公式()中地震动时程强度包络参数确定公式 即 ()()式中 为地震动参数值、分别为震级、震中距、为包络参数衰减函数的回归系数 霍俊荣等给出了不同条件下的回归系数值根据 可确定地震动峰值平稳段结束时刻 峰值衰减系数 按振动结束时振幅为峰值的确定 地震加速度总持时 可以根据式()来确定 ()由于初始时程得到反应谱只是用一些点去拟合设计反应谱 吻合程度上是概率平均的 可以按式()的方法通过迭代调整以提高精度 即()()()()()式中()为幅值谱 通过迭代可使
7、计算反应谱()向目标反应谱()逼近 从而满足精度要求 多点非平稳地震动合成对土石坝不同地震动输入方式评价时需要合成多点地震动 基于功率谱合成多点地震动 需先生成功率谱矩阵 对于频率为 的地震动分量 有()()()()()()()()()()()式中 功率谱矩阵中的对角线元素为自功率谱 非对角线上元素为互功率谱 为了使人工合成的多点地震动与实测波具有可比性 自功率谱可由实测波转换得到 实测波地震动时程首先作傅里叶变换得到傅里叶幅值谱 由公式()可得到自功率谱()()()考虑相干效应和行波效应的任意两点、的互功率谱可表示为第 卷第 期冯燕明等:强震下高土石坝不同地震动输入特性评价 .()()()(
8、)()()式中()、()为自功率谱()为相干函数()为视波速 为、两点沿地震传播方向的距离 为传播方向与、两点连线的夹角公式()中相干函数参考冯启民等根据 年中国海城地震余震的观测记录分析提出的相干函数经验模型()()()式中、为相干性参数 本文参照海城地震参数取值式()中视波速采用屈铁军等对加速度进行带通滤波得到的经验公式()()()式中 为拟合参数 取屈铁军等根据 台阵波速拟合结果的平均值 通过式()、()得到自功率谱及互功率谱后 对功率谱矩阵式()三角分解 最终可求得幅值 和相位角()()()()()式中()为功率谱矩阵式()三角分解后下三角矩阵第 行第 列元素最终合成的地震动加速度表达
9、式可表示为()()()()()()()()()()上述多点平稳随机过程乘强度包络函数式可得到非平稳随机过程2地震反应分析方法 筑坝材料的动力本构模型室内大型动三轴试验资料表明:在复杂的高应力条件下 试验粗粒料的动应力应变关系具有硬化特性 其阻尼比 假定值小 采用基于指数型动应力应变关系模型的动剪模量与相应的阻尼比计算公式 永久变形模型朱晟等考虑初始固结围压的影响 将残余体积应变和残余剪应变表示为振次、动剪应力、应力水平以及初始固结围压的函数得到永久变形计算模型 多点地震动输入动力平衡方程对于平面尺寸较大的建筑物 由于地震波在结构基础面上的传播要经历一定的时间 这样 在同一时刻 结构各支承点所承
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