土石坝抗震计算理论与应用——本构·流固耦合·地震动输入

第1章 绪论 1 1.1 研究背景与研究意义 1 1.2 本构模型 1 1.2.1 土石料非线性弹性模型 2 1.2.2 土石料弹塑性模型 2 1.2.3 土石料亚塑性模型 3 1.2.4 土石料动力本构模型 4 1.2.5 土石料广义塑性模型 5 1.2.6 混凝土损伤模型 6 1.3 “库水-土石坝-孔隙水”宏、细观流固耦合 8 1.3.1 “土石坝-库水”宏观流固耦合 8 1.3.2 “土骨架-孔隙水”细观流固耦合 10 1.3.3 “库水-土石坝-孔隙水”宏、细观动力流固耦合 12 1.4 地震动输入方法 13 1.4.1 辐射阻尼与人工边界条件 13 1.4.2 地震动输入 14 参考文献 15 第2章 土石料静动力本构模型 23 2.1 非线性弹性静力模型——邓肯双曲线模型 23 2.1.1 基本模型 23 2.1.2 参数确定及敏感性分析 25 2.1.3 讨论与改进 27 2.2 弹塑性静力模型——沈珠江模型 29 2.2.1 屈服面函数与弹塑性矩阵 29 2.2.2 塑性系数与加卸载准则 33 2.2.3 三轴试验模拟 35 2.2.4 应用分析 36 2.3 亚塑性静力模型 40 2.3.1 基本概念 40 2.3.2 Wu-Bauer模型 42 2.3.3 Gudehus-Bauer模型 43 2.3.4 应用分析 46 2.4 动力本构模型 49 2.4.1 Hardin-Drnevich模型 49 2.4.2 地震永久变形模型 51 2.4.3 应用分析 51 2.5 广义塑性模型 52 2.5.1 广义塑性理论 52 2.5.2 P-Z广义塑性模型及改进 54 2.5.3 改进的P-Z广义塑性模型的力学特性 61 参考文献 68 第3章 混凝土损伤本构模型 71 3.1 混凝土面板裂缝特点及成因 71 3.2 考虑材料非均匀性的混凝土细观损伤模型 74 3.2.1 混凝土细观力学损伤模型 74 3.2.2 细观损伤模型对面板网格的要求 76 3.2.3 材料非均匀性的实现 77 3.2.4 混凝土试块开裂试验模拟 79 3.3 基于损伤理论的高面板坝混凝土面板损伤开裂分析 80 3.3.1 计算模型及计算参数 80 3.3.2 静力损伤开裂分析 82 3.3.3 动力损伤开裂分析 83 3.4 紫坪铺面板堆石坝面板地震开裂分析 88 3.4.1 工程概况 88 3.4.2 汶川地震时面板震害 89 3.4.3 有限元模型和计算条件 90 3.4.4 计算成果分析 93 参考文献 95 第4章 “土石坝-库水”宏观动力流固耦合 97 4.1 库水(流体)运动基本理论 97 4.1.1 库水(流体)运动控制方程组 97 4.1.2 库水(流体)的运动学描述方式 97 4.2 基于N-S方程的“坝-水”流固耦合 100 4.2.1 ALE坐标系下的流体动力学方程 100 4.2.2 边界条件 100 4.2.3 ALE坐标系下控制方程的离散 101 4.2.4 “坝-水”宏观流固耦合的求解 102 4.3 基于简化流体方程的“坝-水”流固耦合 104 4.3.1 流体控制方程的简化 104 4.3.2 库水边界条件 105 4.3.3 波动方程的有限元控制方程推导 105 4.3.4 动水压力的附加质量法 106 4.3.5 “坝-水”宏观流固耦合求解 108 4.4 算例验证 109 4.5 混凝土面板坝“坝-水”动力流固耦合分析 111 4.5.1 计算模型与计算参数 111 4.5.2 坝库自振特性 112 4.5.3 坝面动水压力 112 4.5.4 坝体绝对加速度反应 115 4.5.5 坝体动位移反应 115 4.5.6 地震峰值加速度的影响 116 参考文献 117 第5章 “土骨架-孔隙水”细观动力流固耦合 119 5.1 饱和土体动力微分方程 119 5.1.1 完全动力总控制方程 119 5.1.2 动力控制方程的各种简化形式 121 5.2 非饱和土体动力微分方程 121 5.3 有限元动力控制方程的推导 122 5.3.1 饱和土体“u-w”格式完全动力有限元方程 122 5.3.2 饱和土体“u-P”格式部分动力有限元方程 124 5.3.3 非饱和土体“u-P”格式部分动力有限元方程 125 5.3.4 饱和土体拟静力有限元方程 125 5.4 有限元控制方程的时间离散 126 5.4.1 动力平衡方程的数值积分格式 126 5.4.2 “u-P”格式动力平衡方程的时间离散 127 5.4.3 “u-w”格式动力平衡方程的时间离散 128 5.5 算例分析 129 5.5.1 静力流固耦合验证 129 5.5.2 动力流固耦合验证 132 5.5.3 饱和土体完全动力(“u-w”)格式与部分动力(“u-P”)格式耦合比较 134 5.5.4 非饱和土体动力水土耦合分析 145 参考文献 148 第6章 “库水-土石坝-地基-孔隙水”宏、细观动力流固耦合分析 149 6.1 宏、细观动力流固耦合系统控制方程的建立 149 6.2 宏、细观动力流固耦合有限元方程的时间域离散 151 6.3 宏、细观动力流固耦合系统的频域求解 152 6.4 宏、细观动力流固耦合方程求解 153 6.4.1 迭代耦合求解法 153 6.4.2 整体耦合求解法 154 6.5 动力流固耦合计算程序(软件)的开发研制 155 6.6 覆盖层上高面板堆石坝动力流固耦合分析 157 6.6.1 工程概况 157 6.6.2 有限元模型和计算参数 159 6.6.3 大坝及库水动力反应 159 6.7 300m级高心墙堆石坝动力流固耦合分析 168 6.7.1 工程概况 168 6.7.2 有限元模型和计算参数 169 6.7.3 坝体地震反应 170 6.7.4 库水地震反应 173 参考文献 175 第7章 波动理论及动力人工边界 176 7.1 波动基本理论 176 7.1.1 波动基本方程 176 7.1.2 地震波 176 7.1.3 波的反射 177 7.2 动力人工边界 179 7.2.1 地基辐射阻尼 179 7.2.2 黏弹性动力边界 179 7.2.3 人工边界的比较 181 7.3 黏弹性边界的实施 183 7.3.1 编程要点 183 7.3.2 应用分析 185 参考文献 188 第8章 地震动输入方法 189 8.1 基于黏弹性边界的波动输入 189 8.1.1 地震波输入方法 189 8.1.2 波动输入 189 8.2 垂直入射时的地震动输入 191 8.2.1 输入荷载 191 8.2.2 算例分析 192 8.3 斜入射时的地震动输入 195 8.3.1 P波斜入射时的地震动输入 195 8.3.2 SV波斜入射时的地震动输入 199 8.3.3 SH波斜入射时的地震动输入 203 8.3.4 算例分析 205 8.3.5 高面板堆石坝地震斜入射分析 207 8.4 基于设计地震动的斜入射体系构建 211 8.4.1 P波、SV波入射的半空间自由场 211 8.4.2 考虑设计地震动的斜入射波系 213 8.4.3 算例分析 218 8.5 不同波场分解下三维地震动输入方法 220 8.5.1 三维等效荷载的确定 220 8.5.2 基于全局波场分解的地震波斜入射 221 8.5.3 基于局部波场分解的地震波斜入射 226 8.5.4 算例分析 227 8.6 非一致地震动输入下高面板坝地震反应分析 234 8.6.1 工程概况 234 8.6.2 计算模型与计算条件 234 8.6.3 大坝地震反应分析 236 参考文献 239