一个新的迭代过程反褶积Dam-Reservoir-Foundation地震地面运动的系统

文摘

混凝土重力坝的设计执行令人满意地在地震中因为失败的后果是灾难性的下游的社区。大坝的基础通常是由子结构化建模方法进行地震响应分析的目的。然而,子结构化不能用于解决非线性动态dam-reservoir-foundation系统中可能遇到的问题。因此,这种系统的时域方法者优先。deconvolved地震输入模型是首选的,因为它可以消除由于地震散射影响人工边界的半无限域基础。反褶积是一个数学的过程,允许调整振幅和频率的地震地面运动的内容应用于基础的基础在坝基为了获得所需的输出接口。可以看出现有的反褶积过程不是有效的所有类型的地震记录。在这里修改过程提出了高效的反褶积的所有类型的地震记录,包括高频和低频的地面运动。

1。介绍

的数量和大小水电站显著增加整个加拿大自1910年以来,(1]。虽然混凝土重力坝地震期间表现良好,没有观察到有一些大坝的事件发生了强烈的地震2]。例如,康适大坝在台湾集集地震期间遭受了水库的完全丧失(1999年9月3]。Hsifengkiang大坝在中国和印度Koyna水坝也在1962年和1967年持续严重破坏地震,分别为(4,5]。因此,监测和评估大坝的性能是非常重要的,以确保大坝安全(6,7]。研究混凝土重力坝的抗震性能数值,系统实际的需要模型结合大坝之间的相互作用的影响,基础和水库。Chakrabarti,乔普拉(8]和Fenves Chopra [9]研究了坝基相互影响在频域中使用粘弹性半空间内解决模型的基础。在许多情况下,基于频域分析的分析模型不足,因为他们不能用于模型的非线性和非均匀的几何和材料特性水坝或基础。在这种情况下,必须在时间域进行分析。

克劳夫et al。10]和分类帐和Boughoufalah [11)研究了一组不同的模型来模拟不同的地震输入机制。在某些情况下,输入地震运动的反褶积12)是必要的。反褶积是一个数学的过程,允许调整振幅和频率的地震地面运动的内容来实现所需的输出运动结构的观察。反褶积是一种信号处理技术,一个信号通常是由逐点详述的从另一个部门两个信号的傅里叶域中,除以两个信号的傅里叶变换,然后逆转的结果。实际上,信号处理中的傅里叶反褶积是一个人工的方式反卷积的结果发生在物理领域,例如,改变滤波器的信号失真效应或通过一个弹性介质中地震波的传播。由于信号失真是具体到物理媒介信号传递,反褶积过程获取输入信号从输出或扭曲的信号是特定于域的。

计算机程序由萧贝尔et al。(13反褶积)的地震地面运动是用在许多先前的研究11,14,15]。然而,反褶积过程使用摇中使用的程序非常繁琐等响应通过分析是非常敏感的值控制参数如剪切模量和等效粘滞阻尼比的柔性基础(11]。本文的目的是开发一个新的程序反褶积的地面运动,这是适用于所有类型的地面运动。陆et al。14)和Polam et al。15)推荐不同的约束模型来表示基础模型。在目前的研究中,类似的方法使用商业软件实施和实现有限元分析(16]。

2。在坝基地震波散射系统

评估大坝在地震的响应,应用地面运动加速度的基础,通过弹性波传播垂直传播机制,直到达到顶端的基础。基础的大小在一个数值模型相比是有限的半无限地基的物理模型。因此,从人工地震波反射边界由于有限元数值模型的大小,这可能改变一个地面运动的内容和频率振幅时间历史信号的波传播通过岩石变形的基础。占这种波散射效果,推荐使用传输边界或deconvolved地面运动记录(17]。

3所示。反褶积的地震地面运动

在这种方法中,首先,执行反褶积分析来确定加速度随时间的变化,可应用于基础复制指定的声波测井的基础上加速时间历史底部的大坝(图1)。然后应用到加速度校准基地历史的基础进行地震分析的基础。反褶积分析可以执行使用一个数学过程中描述(12),下面的解释。反褶积分析允许调整振幅和频率的地震地面运动的内容应用于基础的基础来实现所需的输出地面加速度在坝基接口。最初,地面加速度的基础应用于基础被认为是一样的声波测井地面加速度。顶部表面加速度随时间的变化(即。,dam-foundation interface) is then estimated by solving the wave propagation problem of the dam-foundation system using the finite element analysis technique. This estimated or reproduced ground acceleration at a reference point on the dam-foundation interface is then compared to the original free-field ground acceleration after transforming both signals into the frequency domain using Fourier analysis. Fast Fourier transform (FFT) and Inverse Fast Fourier transform (IFFT) algorithms developed by [18)允许把时域信号转换为频域信号或者相反,分别。时间序列FFT的一组复杂的傅里叶振幅值的离散频率。然后转换成复杂的傅里叶振幅绝对值获得傅里叶振幅谱。另一方面,传输线的一组复杂的傅里叶振幅的一组离散时域频率产生一个信号。

如前所述,声波测井加速度或任意信号最初应用的基础,而且,通过求解波传播问题,选定点加速度信号的基础。顶部的合成和声波测井加速度信号的基础然后在频域相比,和一个为每个频率校正因子计算使用的比例合成和声波测井地面加速度信号的傅里叶振幅在给定迭代。加速度信号应用于基础的基础修改使用每个频率的校正因子。修改后的加速度历史然后转换回时域加速度信号采用传输线,并分析波传播分析的基础系统重复修改后的地面加速度应用基础的基础。过程是迭代,直到原始测井地面运动的顶部基金会匹配所产生的地面运动记录复制使用修改后的地面运动应用的基础的基础。由此产生的地面运动的基础底将被称为deconvolved地面运动应该用于坝基系统的动态分析。

4所示。修改反褶积过程

现有的迭代过程为反褶积在前一节中讨论不产生相应的结果稍后将显示高频地面运动记录。然而,它很适合在某些情况下的低频地面运动记录。为了克服这些限制,本节提出了修改程序。图2显示了修改后的反褶积过程流程图。类似于现有的程序,在这里,复制加速度历史顶部的基础是声波测井加速度相比,都转化为频域使用傅里叶分析。然而,修正因素调整deconvolved信号确定不同。而不是调整傅里叶振幅在不同频率,不同频率的响应谱纵坐标调整。的响应光谱复制历史和输入地面运动加速度时间(即。,原始测井加速度)是离散的频率计算。校正因子计算为每个频率的目标反应谱幅值的比值反应谱振幅复制加速度的历史: 然后这个校正因子应用于频域加速度信号应用于基础的基础。复杂的傅里叶系数(实部和虚部修改)加速度的基础底使用(2)。修改后的加速度信号转换回时域传输线。坝基系统的分析进行的修改时间历史地面加速度应用于基础的基础。过程是迭代,直到复制大坝的底部地面运动匹配原始测井地面运动。复制的反应谱地面运动的顶部应与目标光谱的基础。

反应谱产生最大响应加速度的情节为所有可能的线性单自由度系统给定的地面运动对于一个给定水平的阻尼(在这个分析假设5%)。校正因子计算通过一个迭代过程与现有的反褶积过程(部分3)包含错误由于FFT的近似性质和传输线。因此,错误是复合的迭代。修改后的程序比较输出响应与目标反应谱而不是绝对值傅里叶振幅,这是一个复数傅里叶谱的近似表示。大坝等大型民用基础设施通常是设计或评估使用给定的响应谱相关代码中指定的练习。修改后的反褶积过程确保错误期间推出的FFT和传输线是最小化,为每个频率校正因子计算的目标反应谱振幅TSa的比率反应谱振幅RSa复制的加速度的历史。这个修改反褶积过程非常有效而现有的反褶积过程。一个案例研究提出了部分7演示修改反褶积过程的有效性。

确定反应谱的亲密复制地面运动的声波测井地面运动,确定系数(文本中定义的),在统计数据,被利用。1的值代表一个完美匹配的两个数据系列代表原始的光谱和地面加速度重现。拟议中的修改反褶积过程发现工作很好高,低频地面运动:

5。有限元模型和约束

两种几何不同独石的在这里被认为是研究混凝土重力坝坝基系统的地震波散射。图3显示了两个几何配置,g1和g2,被认为是在这里。g - 1代表一个几何级配置常用的水坝。然而,g2的基础。这些不规则基金会是受欢迎的在大岩石表面(脚趾水力发电项目坐落在高质量的基础上19,20.]。总结了假定材料属性表1。百分之五的材料阻尼是分析瑞利阻尼假设。水动力交互建模通过附加质量模型考虑水不可压缩。大坝和基础的建模使用节点双线性简单应变有限元素。执行反褶积过程,土壤必须作为一维土柱。模拟一维土柱的行为,需要应用于一组约束边界。图4显示了表示允许剪切变形的约束基础模拟波的传播,但他们不允许在弯曲变形模式的基础。基础尺寸应足够大,以适应当地的位移在大坝附近。基于研究Bayraktar et al。21),基金会的规模被认为是大坝的高度的三倍或3 h,几乎是等于300大坝的两侧。

6。地震地面运动的选择

两种不同的地面运动记录套件包含高频和低频的内容被认为是在这里。它们包含模拟和实际地面运动记录。模拟记录已被选定开发的基于这些Tremblay et al。22],而地面记录过去的地震已经从同行获得数据库的加州大学伯克利分校(23]。第一套高频地面运动包括以下记录:(i)模拟记录地震的震级加拿大东部M6 30公里的距离,(ii)模拟记录地震的震级加拿大东部M7和70公里的距离,和(3)1971年圣费尔南多地震记录。这些地面运动记录将这里称为M 1号,2号,3号和M,分别。地面运动的水平和垂直分量表示通过H和V,分别为(数字5(一个)和5 (b))。第二套低频地面运动包括以下记录:(i) 1976年弗留利地震记录,(2)1980年利弗莫尔地震记录,和(3)模拟记录地震的震级为加拿大西部M6.5和30公里的距离。这些地面运动记录将这里称为V 1号,2号,3号和V分别(数字5 (c)和5 (d))。高频地面运动的水平分量比例根据预期水平的地震灾害(2%的概率超过数在50年)对应于蒙特利尔(加拿大东部)。另一方面,地面的水平分量低频运动显示了预期水平的地震灾害对应于温哥华(加拿大西部)。所有地面运动的竖直分量已经扩展各自的水平分量的三分之二。图5显示了工程场地的地震动反应谱。坝基系统的几何图形的时间段g1和g2发现0.628和0.67年代,分别。

7所示。修改后的反褶积过程的性能

数据6,7,8呈现不同的结果deconvolved地面加速度时间历史修改(MDP)和现有的反褶积过程(EDP)坝基系统,努力解决。观察到的结果,MDP效果很好对高频和低频的地面运动。然而,EDP产生可接受的结果只在一些低频地面运动的情况下,如V 1号和2号,但不工作在其他情况下,如V数字3。证明的有效性MDP EDP相比,反褶积的结果已经被讨论了以下地震记录:M 3号代表一个高频记录和V 2号和3号代表低频记录。

图6显示的响应光谱产生的原始记录以及那些deconvolved记录。所显示的数据6(一)和6 (b)为M数3,MDP光谱匹配密切的光谱声波测井(原始)地面运动为水平和垂直分量,而EDP光谱不匹配很好。数据6 (c)和6 (d)显示的原始光谱的比较V 2号MDP和EDP光谱的水平和垂直分量。在这种情况下,MDP和EDP光谱的光谱观测接近原来的地面运动。数据6 (e)和6 (f)显示原始光谱的比较数字3 V的MDP和EDP光谱的水平和垂直分量。在这种情况下,MDP光谱匹配密切的光谱声波测井(原始)地面运动,而EDP光谱不匹配很好。这类似于所观察到的M 3号记录。

图7显示确定系数的值()对不同迭代MDP和EDP的M 3号地面运动。最大的值实现数字3 M (H)的MDP和EDP是0.984和0.898,分别(图7(一)3号),而M (V)是0.982和0.958,分别(图7 (b))。可以看出,MDP的价值方法相对更平稳,收敛好了在这两种情况下,虽然EDP波动值在不同的迭代和收敛性很差。最大的值实现了V的2号(H) MDP和EDP发现(图0.993和0.9957 (c)2号),分别,而V (V)(图0.999和0.9977 (d)),分别。在V 2号地面运动的情况下,获得的结果MDP和电子数据处理都是满意的,和值收敛很顺利在这两种情况下。然而,数字3 V的地面运动,电子数据处理的结果并不令人满意。最大的值实现了V的3号(H) MDP和EDP是0.958和0.887,分别(图7 (e))、3号,而V (V)是0.966和0.822,分别(图7 (f))。

从上面的结果,可以得出结论,电子数据处理的性能在低频情况下地面运动优于高频情况下的地面运动。然而,在某些情况下,甚至对低频地面运动,如V数字3,电子数据处理的性能是不能接受的。MDP显示了一个令人满意的性能对低收入和高频地面运动。图8礼物的响应光谱deconvolved地面运动为M 1和V数字1坝基系统g2 MDP和原来的地面运动。反褶积的结果使用EDP已经省略了,因为他们发现在某些情况下是不正确的观察在大坝配置g1。反褶积过程的质量影响坝基系统的反应,反褶积过程中使用性能的研究是非常重要的。本文中给出的案例研究假设一个线性弹性地基。然而,由于反褶积过程是迭代的,非线性材料行为可以被建模的基础。

8。结论

这项研究提出了一种修改反褶积过程输入地面运动的反褶积在坝基系统的地震响应分析中使用。而现有的反褶积过程的性能通常是适合低频地面运动,它可能不会工作在所有这些情况下,过程发现的性能是相当可怜的地面运动时高频内容(例如,为蒙特利尔)。修改后的反褶积过程发现表现良好高频和低频的地面运动。也观察到反褶积的EDP需要更多的迭代比MDP和收敛性较差。重要的是要注意,虽然只有二维模型认为,修改后的反褶积过程提出了本研究有望为坝基三维模型更有效。需要进一步研究的方向。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。

承认

提供的财政援助加拿大自然科学和工程研究委员会。

引用

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