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拱坝—库水动力流固耦合作用的有限元数值研究

原文作者:
  曹宗杨,张燎军
发布时间:
  2014-08-13
来    源:
  河海大学水利水电学院
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摘要:针对库水在拱坝结构动力响应分析中的重要影响,采用大型有限元分析软件ADINA验证了势流体单元模拟坝体—库水间耦合分析方法的正确性,并以西南某高拱坝为例,分析了考虑库水压缩性及库水位高度等条件下的坝体动力特性,获得了库水对拱坝动力特性的影响规律,可为拱坝抗震设计提供参考。
    拱坝作为高次超静定结构,具有较好的自身调节能力,坝体在地震作用下振动,由于库水振动产生了附加动水压力,动水压力又反作用于坝体,改变坝体的动力特性和动力反应,整个过程反映了强烈的流固耦合效应。考虑库水的可压缩性会使动水压力和扰动频率发生变化,使问题的求解变得复杂,因此坝体—库水相互耦合问题在拱坝动力特性分析中需特别关注。Westergaard H M[1]提出用附加质量法来考虑水体的动水压力,但Westergaard公式是假定在刚体垂直坝面上,与实际情况有较大误差[2]。因此,在Westergaard H M研究的基础上,在库水的可压缩性、库水自由表面波、库底吸收边界条件,库水水域长度、坝型条件等条件下做了大量研究[2,3]。近年来,又对水体划分网格来考虑结构与水体的耦合效应[3~5]。鉴此,本文在验证ADINA 中的势流体模拟库水对坝体作用的前提下,针对西南某高拱坝建立了三维有限元拱坝—库水—地基模型,分析了在库水压缩性及库水位高度等条件下的坝体动力特性,总结出坝体—库水耦合作用中的一些规律,可为拱坝抗震设计提供参考。
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