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水 利 学 报
2018年11月 SHUILI XUEBAO 第49卷 第11期
文章编号:0559-9350(2018)11-1369-09
基于SBFEM的面板坝与可压缩库水动力耦合弹塑性分析方法
1,2 1,2 1,2 1,2
许 贺 ,邹德高 ,孔宪京 ,刘京茂
(1. 大连理工大学 海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁 大连 116024;
2. 大连理工大学 水利工程学院,辽宁 大连 116024)
摘要:采用比例边界有限元法(SBFEM)模拟库水,可将求解维数降低一维,而且可考虑库水可压缩性、库底淤沙
的波能吸收效应等因素。但在时域计算前,该方法需要进行多次的动水压力频域求解以获得时域脉冲响应函数,
计算量较大。本文采用SBFEM模拟坝前可压缩库水,并且将其与有限元方法(FEM)离散的面板坝(CFRD)耦合,
进而建立了面板坝与可压缩库水动力耦合弹塑性分析方法;并根据坝与库水动力耦合响应的特点,对动水压力计
算过程进行了简化处理,仅需确定截断频率,即可大幅度地降低动水压力频域求解的计算量,还可保证较高的计
算精度。数值结果表明,面板坝越高,计算效率提高的越多,给出如下建议:当100mH≥50 m时,取ω =40 ;
T π
当200mH≥100m时,取ω =30 ;当H≥200m时,取ω =20 。
T π T π
关键词:动水压力;可压缩库水;比例边界有限元;简化;截断频率
中图分类号:TV641.4 文献标识码:A doi:10.13243/ki.slxb
1 研究背景
[1]
比例边界有限元方法(SBFEM)是一种近年新兴起来的半解析的数值技术 ,其集成了有限元法和
[2-3] [4]
边界元法各自的优势。因此,SBFEM既适用于有限域分析,例如断裂问题 、饱和土液化分析 、
[5-7] [8] [9]
跨尺度分析 、磁电或压电材料分析 等;又适用于无限域分析,例如结构与地基相互作用 和坝-
[10-14] [10]
水相互作用 等。采用比例边界有限元法模拟库水,可建立一种高效的坝前动水压力计算模型 ,
即直接离散坝水交界面来模拟半无限域库水,不但将该问题的求解维数降低一维,而且自动满足流
体域无穷远处的辐射条件。该动水压力计算模型可考虑库水可压缩性、地震激励方向和库底淤沙的
波能吸收效应等因素。由于动水压力对于大坝抗震安全评估的重要性,地震荷载条件下作用于坝面
上的动水压力问题在试验分析与数值计算方面一直备受关注[15-21]。在坝-库水动力相互作用分析中,
[19-21] [19]
库水可压缩性是一个重要的影响因素与研究热点 。Saini等 采用有限元法对重力坝进行了频域
动力流固耦合分析,其结果表明,在坝-库耦合系统的基频附近,忽略库水可压缩性可使坝顶动位移
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