外文翻译-有限元模型对拱坝- 水库 - 地基系统的非线性地震反应的修正效果

毕业设计外文翻译题目三河口碾压混凝土拱坝底孔设计及坝体工程量计算专业水利水电工程班级工102班学生指导教师2014年有限元模型对拱坝水库地基系统的非线性地震反应的修正效果摘要本论文是研究有限元模型对拱坝水库地基系统的非线性地震反应的修正效果。选择土耳其最高的拱坝伯克拱坝作为数字模拟和试验应用的对象。首先，用ANSYS软件建立伯克拱坝的有限元3D模型。在分析模型中，用拉格朗日法描述拱坝水库地基之间的相互作用。接着对坝体进行为期四天的环境振动测试，并且使用增强的频率还原技术估算实验动态特性。虽然固有频率的不一致率达到1520，但是在比较过程中发现了模态之间的良好一致性。通过调节大坝和地基的材料特性来修正伯克大坝的线性有限元模型。通过引入德鲁克普拉格损坏准则，修正过的线性有限元模型扩展到非线性模型。以1998年土耳其阿达纳杰伊汉，伯克大坝区域附近发生的地震来说，伯克大坝的非线性抗震性能是确定的。有限元模型修正对大坝的非线性地震反应提供了一个显著地影响。关键字周围环境；振动测试；拱坝；动态；特征；非线性；地震；反应；有限元模型；修正；大坝水库地基；相互作用1简介拱坝是最重要的提供能源的工程结构之一，以平面图来看拱坝是弯曲的（可能在立视图上也是弯曲的）另外，拱坝利用其混凝土材料的强度可以传导一大部分水压。所以相较于重力坝，修建拱坝使用的混凝土方量较少并且有更薄的横截面，所以拱坝在设计和修建方面技术要求更复杂。长久以来研究人员对拱坝的动态行为做了很多理论研究。由于拱坝将荷载通过其拱作用传送给坝墩。坝体和基岩之间的相互作用的影响对拱坝的抗震性很重要，另一个对拱坝产生影响的是水库。在地震时，水库对于拱坝的抗震性的影响不可忽略。在分析中有三种方法研究水库影响韦斯特加尔法、欧拉法、拉格朗日法。韦斯特加尔法认为大坝的振动分散类似于大坝上游流体动力分散作用。欧拉法中，建筑物中位移是变量，液体中压力是变量。拉格朗日法认为位移在液体和建筑物中都是变量。所以在拉格朗日法中不需要任何的界面方程，因此拉格朗日法的兼容性和平衡会在液体和建筑物的界面节点处自动满足。无论是混凝土拱坝现有的线性地震分析系统还是新设计分析系统在地面振动时都不会显示巨大的拉应力。因此，在地震多发区非线性分析过程需要分析混凝土拱坝的抗震性。因为坝体的垮塌会夺走大量生命所以混凝土拱坝的抗震设计十分重要。用于获得设计值的分析技术是任何设计过程不可或缺的部分，例如各种负荷条件下的最大应力和坝体位移的分析技术，工程师可以用这种分析的结果来评价大坝设计的合理性，并在必要时进行适当修改。如果设计不正确，或不符合所要求的规格，设计必须做出改善。所以建立的有限元3D模型必须真实按照大坝水库地基之间的相互作用。所以，一个现实的三维有限元模型可以用一个实验模型进行检查。拱坝的实验模型特性与它的动态特性有关，例如，自振频率、模态、阻尼系数等。其中一个重要的检查是对现行的大坝进行环境振动测试以确定其动态特性。这一工具叫做运行模态分析。环境振动，如交通、波浪、风，其组合是环境激励。建筑物的动态特性可由峰值法、增强型频域分解法、随机子空间识别法等推断出。近几年大型水坝开始使用运行模态分析工具来进行研究，运行模态分析的结果提供了一个控制机制来检查有限元计算结果。如果分析和实验结果之间存在差异，就可以发现分析模型中的缺点，也可以校正初始有限元模型。现如今，有很多关于建筑工程有限元模型修正的文献。本文旨在介绍有限元模型修正对拱坝库水地基系统非线性地震反应的影响，我们选择土耳其最高的拱坝作为研究对象，本研究首先阐明了拱坝的建设性质，描述了最初的有限元（FE）分析，然后介绍了动态特性分析是如何得到的。接着对拱坝进行环境振动测试，估计实验动态特性。增强型频域分解（EFDD）技术被用于从测量结果中推断出拱坝的动态特征。拱坝的初始有限元模型的材料特性是基于实验的固有频率修正的。通过德鲁克普拉格准则损坏修正过的线性有限元模型扩展到了非线性范围。伯克大坝的非线性地震反应确定为初始的和修正的有限元模型，这一结果表明，有限元模型修正对伯克大坝的非线性地震反应有很大的意义。于2001年建成的伯克大坝位列世界最高大坝第十六名，伯克大坝历时六年修建完成（19952001），坝体使用了约七十万立方米混凝土，它包括蓄水量约427X108立方米的水库和年发电量达7X108千瓦的发电站，该坝位于以土耳其地震构造带为基础的活跃地震带，并被归类为II级中度风险等级。伯克大坝位于一个窄V型地带，坝体有九条廊道，用于放置测量设备，如应变仪、压力计、水平尺、变形测量计和地震加速度计。伯克坝是一个薄型双曲拱坝，具有不定的半径和角度，沿拱冠梁对称分布，坝高201米，坝长207米，坝顶长度与坝高比为134，坝顶拱冠梁厚度为43米，坝地拱冠梁厚度为2712米。在拱坝有限元模型建模时，其几何图形是双曲形。在伯克大坝的有限元模型中，坝体先由ANSYS软件构造出，每个单体有8节点，每个节点有三个自由度。水库和地基对拱坝动态反应的影响相当大，所以它们必须被良好的呈现以获得真实的结果。FINITEELEMENTMODELUPDATINGEFFECTSONNONLINEARSEISMICRESPONSEOFARCHDAMRESERVOIRFOUNDATIONSYSTEMSABSTRACTTHISISPAPERINVESTIGATESTHEEFFECTSOFFINITEELEMENTMODELUPDATINGONNONLINEARSEISMICRESPONSEOFARCHDAMRESERVOIRFOUNDATIONSYSTEMSTHEHIGHESTARCHDAMINTURKEYNAMEDBURKEISSELECTEDFORTHENUMERICALANDEXPERIMENTALAPPLICATIONSFIRSTLY,3DFINITEELEMENTMODELOFBERKDAMWASCONSTITUTEDUSINGANSYSSOFTWAREINTHEANALYTICALMODELING,ARCHDAMRESERVOIRFOUNDATIONINTERACTIONISREPRESENTEDBYLAGRANGIANAPPROACHTHENAMBIENTVIBRATIONTESTSWERECONDUCTEDTODAMFORFOURDAYS,ANDEXPERIMENTALDYNAMICCHARACTERISTICSWEREESTIMATEDUSINGANENHANCEDFREQUENCYDOMAINDECOMPOSITIONTECHNIQUEEXPERIMENTALCHARACTERISTICSARECOMPAREDWITHTHOSEOFANALYTICALOBTAINEDBYTHELINEARFINITEELEMENTANALYSISOFTHECOUPLEDSYSTEMGOODAGREEMENTBETWEENMODESHAPESISOBSERVEDDURINGTHISCOMPARISON,THOUGHNATURALFREQUENCIESDISAGREEBY1520THELINEARFINITEELEMENTMODELOFBERKDAMWASUPDATEDBYADJUSTINGTHEMATERIALPROPERTIESOFTHEDAMANDFOUNDATIONBYINTRODUCINGTHEDRUCKERPRAGERDAMAGECRITERION,THEUPDATEDLINEARFINITEELEMENTMODELWASEXTENDEDINTOANONLINEARMODELNONLINEARSEISMICBEHAVIOROFBERKDAMWASDETERMINEDCONSIDERINGTHEACCELERATIONRECORDOFADANACEYHAN,TURKEY,EARTHQUAKEIN1998THATOCCURREDNEARTHEARCHDAMREGIONITISHIGHLIGHTEDTHATTHEFINITEELEMENTMODELUPDATINGPROVIDESASIGNIFICANTINFLUENCEONTHENONLINEARSEISMICRESPONSEOFARCHDAMSKEYWORDSAMBIENTVIBRATIONTESTINGARCHDAMDYNAMICCHARACTERISTICSNONLINEARSEISMICRESPONSEFINITEELEMENTMODELUPDATINGDAMRESERVOIRFOUNDATIONINTERACTION1INTRODUCTIONARCHDAMSAREONEOFTHEMOSTIMPORTANTENGINEERINGSTRUCTURESTOPROVIDEENERGYTHEYARECURVEDINPLANANDPOSSIBLYINELEVATION,INADDITIONTHEYTRANSMITALARGEPORTIONOFTHEWATERPRESSURE,UTILIZINGTHECOMPRESSIVESTRENGTHOFITSCONCRETEMATERIALSOTHEYAREBUILTUSINGLITTLEVOLUMEOFCONCRETECOMPARINGTOGRAVITYDAMS,ANDTHEYHAVETHINCROSSSECTIONTHEREFORE,ARCHDAMSAREREQUIREDSOPHISTICATEDENGINEERINGKNOWLEDGETODESIGNANDCONSTRUCTIONRESEARCHERSHAVEDONEMANYTHEORETICALSTUDIESABOUTDYNAMICBEHAVIORSOFARCHDAMSFROMPASTTOPRESENTSINCETHEARCHDAMSCARRYLOADSTOINPARTBYTRANSMITTINGTHEMTHROUGHARCHACTIONTOTHEABUTMENTS,ANDITISINCONTACTWITHAFOUNDATIONROCKEXTENDINGOVERTHEDAMHEIGHT,THEEFFECTSOFDAMFOUNDATIONROCKINTERACTIONCANBEIMPORTANTINTHEEARTHQUAKERESPONSESOFARCHDAMSTHEOTHERIMPORTANTEFFECTONTHEARCHDAMSISTHERESERVOIRRESERVOIRSCONSIDERABLYAFFECTSEISMICRESPONSEOFDAMSDURINGEARTHQUAKESTHREEAPPROACHESAREUSEDTOCONSIDERTHERESERVOIREFFECTSINTHEANALYSESWESTERGARD,EULER,ANDLAGRANGIANAPPROACHINWESTERGARDAPPROACH,ITISCONSIDEREDTHATAVIBRATEDMASSDISPERSIONWITHTHEDAM,WHICHISSIMILARTOBEINGHYDRODYNAMICEFFECTDISPERSIONTOWARDSTHEDAMUPSTREAMFACEINEULERIANAPPROACH,THEDISPLACEMENTSARETHEVARIABLESINTHESTRUCTURETHEPRESSURESARETHEVARIABLESINTHEFLUIDHOWEVER,INLAGRANGIANAPPROACH,THEDISPLACEMENTSARETHEVARIABLESINBOTHTHEFLUIDANDTHESTRUCTURESO,THEREISNONEEDOFANYEXTRAINTERFACEEQUATIONSINLAGRANGIANAPPROACHESFORTHATREASON,COMPATIBILITYANDEQUILIBRIUMAREAUTOMATICALLYSATISFIEDATTHENODESALONGTHEINTERFACESBETWEENFLUIDANDSTRUCTURELINEAREARTHQUAKEANALYSISOFCONCRETEARCHDAMS,CONDUCTEDTOEITHERINTHEEVALUATIONOFANEXISTINGDAMORINTHEDESIGNOFANEWONE,TYPICALLYSHOWSLARGETENSILESTRESSESWHENTHEGROUNDMOTIONEMPLOYEDREPRESENTSSTRONGSHAKINGTHEREFORE,THENONLINEARPROCEDURESAREREQUIREDTOASSESSTHESEISMICRESPONSESCONCRETEARCHDAMSINEARTHQUAKEPRONEAREASTHEEARTHQUAKEDESIGNOFCONCRETEARCHDAMSISAVERYIMPORTANTPROBLEM,ESPECIALLYSINCEFAILUREOFTHESTRUCTURECOULDRESULTINMAJORLOSSOFLIFEANINTEGRALPARTOFANYDESIGNPROCESSISTHEANALYTICALTECHNIQUETHATISUSEDTOOBTAINDESIGNVALUESSUCHASMAXIMUMSTRESSESANDDISPLACEMENTSOFTHEDAMUNDERVARIOUSLOADCONDITIONSTHERESULTSOFSUCHANANALYSISCANBEUSEDBYTHEENGINEERTOEVALUATETHEADEQUACYOFTHEDESIGNOFTHEDAMANDTOMAKEAPPROPRIATEMODIFICATIONSIFNEEDEDIFTHEDESIGNISINCORRECT,ORDOESNOTMEETTHEREQUIREDSPECIFICATIONS,IMPROVEMENTSTOTHEDESIGNMUSTBEMADETHEREFORE,A3DFINITEELEMENTMODELOFTHEARCHDAMSCONSIDERINGDAMRESERVOIRFOUNDATIONINTERACTIONMUSTBECONSTITUTEDTRULYAREALISTIC3DFINITEELEMENTMODELCANBECHECKEDBYUSINGANEXPERIMENTALMODALBEHAVIORTHEEXPERIMENTALMODALBEHAVIOROFANARCHDAMISRELATEDTOITSDYNAMICCHARACTERISTICS,SUCHASNATURALFREQUENCIES,MODESHAPES,ANDDAMPINGRATIOSONEOFTHEIMPORTANTINSPECTIONSISTOAPPLYAMBIENTVIBRATIONTESTSTOEXISTINGDAMSTODETERMINETHEIRDYNAMICCHARACTERISTICSTHISMETHODISCALLEDASOPERATIONALMODALANALYSISOMAINTHISMETHOD,THESTRUCTUREISEXCITEDBYUNKNOWNINPUTFORCEANDRESPONSESOFTHESTRUCTUREAREMEASUREDSOMEHEAVYFORCEDEXCITATIONSBECOMEVERYEXPENSIVEANDSOMETIMESMAYCAUSETHEPOSSIBLEDAMAGETOTHESTRUCTUREHOWEVER,AMBIENTVIBRATIONSSUCHASTRAFFIC,WAVES,WINDS,ANDTHEIRCOMBINATIONAREENVIRONMENTALEXCITATIONSINANOMA,DYNAMICCHARACTERISTICSOFASTRUCTUREAREEXTRACTEDUSINGTECHNIQUESSUCHASPEAKPICKINGPP,ENHANCEDFREQUENCYDOMAINDECOMPOSITIONEFDD,ANDSTOCHASTICSUBSPACEIDENTIFICATIONSSIRECENTLYYEARS,MODALBEHAVIOROFLARGEDAMSISSTARTEDTOINVESTIGATEUSINGANOMAMETHODINTHESESTUDIES,ITWASHIGHLIGHTEDTHATTHERESULTSOBTAINEDFROMANOMAAREVERYATTRACTIVEANDUSEFULTHEOMARESULTSPROVIDEACONTROLMECHANISMTOCHECKTHEFINITEELEMENTRESULTSIFTHEREAREDIFFERENCESBETWEENANALYTICALANDEXPERIMENTALRESULTS,THEDRAWBACKSINTHEANALYTICALMODELCANBEFOUNDANDTHEINITIALFINITEELEMENTMODELCANBECORRECTEDTHISPROCEDUREISCALLEDASFINITEELEMENTMODELUPDATING,ANDCANBECONSIDEREDASANATTEMPTTOUSETHEBESTFEATURESFROMBOTHTHEANALYTICALANDEXPERIMENTALMODELSTHEREAREMANYSTUDIESINTHELITERATUREABOUTFINITEELEMENTMODELUPDATINGOFENGINEERINGSTRUCTURESTHISPAPERAIMSTOPRESENTTHEEFFECTOFFINITEELEMENTMODELUPDATINGONNONLINEARSEISMICRESPONSEOFARCHDAMRESERVOIRFOUNDATIONSYSTEMSBURKEDAM,WHICHISTHEHIGHESTARCHDAMINTURKEY,WASSELECTEDASANAPPLICATIONTHISSTUDYFIRSTLYELUCIDATESTHECONSTRUCTIONPROPERTIESOFTHEARCHDAM,DESCRIBESTHEINITIALFINITEELEMENTFEANALYSISANDTHENDESCRIBESHOWTHEANALYTICALDYNAMICCHARACTERISTICSAREOBTAINEDNEXT,AMBIENTVIBRATIONTESTSARECONDUCTEDONTHEARCHDAMANDEXPERIMENTALDYNAMICCHARACTERISTICSAREESTIMATEDENHANCEDFREQUENCYDOMAINDECOMPOSITIONEFDDTECHNIQUEISUSEDTOEXTRACTDYNAMICCHARACTERISTICSFROMTHEMEASUREMENTSTHEMATERIALPROPERTIESOFTHEINITIALFINITEELEMENTMODELOFTHEARCHDAMAREUPDATEDBASEDONEXPERIMENTALNATURALFREQUENCIESTHEUPDATEDLINEARFINITEELEMENTMODELWASEXTENDEDINTONONLINEARRANGEBYINCORPORATINGTHEDRUCKERPRAGERDAMAGECRITERION,ANDLASTLY,THENONLINEARSEISMICRESPONSEOFBERKDAMISDETERMINEDFORBOTHTHEINITIALANDUPDATEDFINITEELEMENTMODELSTHERESULTSSHOWTHATTHEFINITEELEMENTMODELUPDATINGHASVERYEFFECTSONTHENONLINEARSEISMICRESPONSEOFBERKDAMFINITEELEMENTMODELANDANALYTICALDYNAMICCHARACTERISTICSOFBERKDAMTAKENPLACEINCAYMANRIVERINOSMANIYE,TURKEY,ISTHEHIGHESTARCHDAMINTURKEY,ANDALSOITWASTHE16THHIGHESTARCHDAMINTHEWORLDWHENITWASCONSTRUCTEDIN2001ITWASBUILTINSIXYEARS19952001,USINGABOUT700,000M3CONCRETEONITSBODYITRETAINSABOUT427E6M3RESERVOIRWATERANDPRODUCESELECTRICITYOF700E6KWHPERYEARTHEDAMISLOCATEDINANACTIVESEISMICZONEASBASEDONTHESEISMICTECTONICMAPOFTURKEYANDCATEGORIZEDINTOCLASSIIWITHMODERATEHAZARDRATINGBERKDAMTAKESPLACEONANARROWVTYPE