本书共分为四大部分:第1章主要介绍高混凝土坝抗震的背景与意义、典型震害,以及国内外研究现状;第2-5章分别介绍了高混凝土坝抗震分析模型中涉及的动力学方程时域数值计算方法、黏弹性人工边界及其地震动输入、基于拉格朗日乘子的动接触模型、混凝土与基岩材料非线性模型等;第6章介绍了高坝抗震高性能并行计算方法和软件研发以及“天河一号”超级计算机及其运行环境;第7章介绍了具有代表性的高重力坝和高拱坝抗震分析及安全评价实例。
我国在西部强地震区建设了一系列高混凝土坝,其可能发生的重大地震灾变的评估问题深受社会关注。近年来,随着我国混凝土坝工程实践的增多,混凝土坝抗震学科得到了迅速发展,主要体现了以下三个特点:从封闭的振动体系到开放的波动体系,从线性到非线性分析,从串行计算到并行计算。
陈厚群院士领军的中国水利水电科学研究院混凝土坝抗震研究团队长期以来针对坝址地震动输入、大坝混凝土动态特性、大坝抗震分析、大坝抗震安全定量评价准则等开展了一系列的研究和工程实践。本书是结合近年来在大坝抗震分析和大坝抗震安全定量评价准则方面的发展编写的。本书在编写过程中,力求做到既有一定的理论性,又具有实用性。在介绍理论模型时,结合了数值分析方法给出了相应求解步骤,并结合混凝土坝抗震分析的强度以及稳定问题,针对重力坝和拱坝给出了相应工程实例,可供从事混凝土坝抗震设计和分析的工程人员、科研人员和研究生参考。
本书共分为四大部分:第1章主要介绍高混凝土坝抗震的背景与意义、典型震害,以及国内外研究现状;第2~5章分别介绍了高混凝土坝抗震分析模型中涉及的动力学方程时域数值计算方法、黏弹性人工边界及其地震动输入、基于拉格朗日乘子的动接触模型、混凝土与基岩材料非线性模型等;第6章介绍了高坝抗震高性能并行计算方法和软件研发以及“天河一号”超级计算机及其运行环境;第7章介绍了具有代表性的高重力坝和高拱坝抗震分析及安全评价实例。
本书中的研究工作得到了国家重点研发计划项目(2017YFC0404903)、国家自然科学基金项目(51709283)的支持。
承蒙陈厚群院士百忙之中拨冗作序,对本书的撰写给予了许多鼓励和指导。中国电力出版社王晓蕾老师为本书的编辑付出了辛勤劳动。本书工程实例的基础资料,由相关工程设计单位提供,在此对上述单位和人员表示感谢!书中许多成果是在研究团队共同协作下完成,作者在此一并表示诚挚谢意。
由于作者水平有限及高混凝土坝抗震研究的复杂性,书中难免存在不足和不妥之处,敬请读者批评指正。
序
前言
1 概述
1.1 背景与意义
1.2 典型重力坝和拱坝震害
1.3 国内外研究现状及发展动态
2 动力学方程时域数值计算方法
2.1 引言
2.2 隐式方法
2.3 显式方法
2.3.1 中心差分法
2.3.2 中心差分与单边差分相结合
2.3.3 中心差分与纽马克常平均加速度结合
2.4 两种方法对比
3 黏弹性人工边界及其地震动输入
3.1 引言
3.2 黏弹性人工边界
3.3 地震动输入
3.3.1 均匀介质地震动输入
3.3.2 成层状介质地震动输入
3.4 人工边界节点荷载计算方法
3.4.1 均匀介质边界节点荷载
3.4.2 成层状介质边界节点荷载
3.5 算例验证
3.5.1 黏弹性边界吸能效果验证
3.5.2 地震动输入验证
3.6 地基模量对高拱坝地基地震能量逸散影响研究
3.6.1 有限元模型
3.6.2 计算方案
3.6.3 计算结果分析
4 基于拉格朗日乘子的动接触模型
4.1 引言
4.2 接触面约束条件
4.3 接触模型
4.4 工程中复杂接触面的模拟
4.4.1 考虑横缝键槽理想作用的模拟
4.4.2 考虑分缝自重的横缝模拟
4.4.3 考虑接触面上初始黏聚力的模拟
4.4.4 考虑接触面上初始强度的模拟
4.5 自重施加方式对高拱坝地震反应的影响
4.5.1 有限元模型
4.5.2 计算方案
4.5.3 计算结果及其分析
4.6 横缝切向错动对高拱坝地震反应的影响
4.6.1 计算方案
4.6.2 计算结果及其分析
5 混凝土与基岩材料非线性模型
5.1 引言
5.2 应力分析中几个常用定义
5.2.1 应力分量及其不变量
5.2.2 偏应力分量及其不变量
5.3 弹塑性力学模型
5.3.1 弹塑性力学模型概述
5.3.2 两种典型屈服模型
5.3.3 本构积分数值算法
5.4 损伤力学模型
5.4.1 损伤力学概述
5.4.2 弹性损伤模型
5.4.3 李和芬维斯(Lee and Fenves)塑性损伤模型
5.4.4 单元尺寸效应
5.4.5 残余应变损伤模型
5.5 钢筋与混凝土相互作用
5.5.1 分布式钢筋模型
5.5.2 基于分布式钢筋模型的单元配筋率计算
6 高坝抗震高性能并行计算
6.1 引言
6.2 高坝抗震并行软件研发
6.2.1 区域分解法
6.2.2 显式格式的波动方程重叠型区域分解法
6.2.3 有限元网格区域分割
6.2.4 包含接触边界的区域分割
6.2.5 并行计算结构
6.2.6 MPI程序结构及其执行过程
6.2.7 计算流程
6.2.8 并行程序性能评价指标
6.3 “天河一号”超级计算机及其运行环境
6.3.1 “天河一号”超级计算机
6.3.2 “天河一号”(TH-1A)大系统运行环境
6.4 并行性能测试
7 高混凝土坝一地基体系抗震分析及安全评价
7.1 柯依那重力坝震情检验
7.1.1 有限元模型
7.1.2 结果分析
7.2 沙牌拱坝震情检验
7.2.1 工程概况
7.2.2 有限元建模
7.2.3 结果分析
7.3 高重力坝坝体一钢筋相互作用的地震损伤分析及安全评价
7.3.1 有限元模型
7.3.2 计算方案
7.3.3 计算结果及其分析
7.4 基于震后静力抗滑稳定的高重力坝抗震分析及安全评价
7.4.1 关于最大可信地震(MCE)下重力坝安全评价标准
7.4.2 有限元模型
7.4.3 计算方案
7.4.4 计算结果及其分析
7.5 高拱坝地震损伤分析及安全评价
7.5.1 有限元模型
7.5.2 计算方案
7.5.3 计算结果及其分析
7.6 高拱坝一坝肩滑块一地基系统抗震稳定分析及安全评价
7.6.1 有限元模型
7.6.2 计算方案
7.6.3 计算结果及其分析
参考文献