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水 利 学 报

２０２３年 ９月 ＳＨＵＩＬＩ ＸＵＥＢＡＯ 第 ５４卷 第 ９期

文章编号：０５５９ － ９３５０（２０２３）０９ － １０９９ － １３

非一致地震作用下高坝－ 复杂地基体系动力响应分析

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张佳文 １，２ ，李明超 ，韩 帅 ，闫文钰 ，张敬宜 １
（１．天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 ３００３５０；２．香港理工大学 智能建造实验室，香港 ９９９０７７）

摘要：地震波场的构建与输入是高坝抗震分析的关键。本文提出了一种适用于三维成层场地的自由波场时域化求解
方法，并在此基础上建立了远置层界面模型以分离上行和下行波场，以解决不规则场地和断层分布等复杂地质条
件；进而结合不同波型的连续性特征与振动特性，利用几何推导将单列节点位移推广至整个空间场地，以提高计算
效率；并采用改进的波动输入方法将复杂波场转换为地基边界上的等效节点力。本文重点研究了精细化的三维高坝－
地基体系在垂直和倾斜入射 ＳＶ波作用下的动力响应，并与均质地基条件下的结果进行对比。结果表明：非一致地
震波作用下坝体结构动力响应的空间差异性显著，坝顶不同位置的位移极值响应可相差至 ８０％；ＳＶ波倾斜入射时
坝体振动响应远大于垂直入射的情况，位移极值可相差 ２～３倍，高应力区时段相差较大，且整个体系的拉裂破坏范
围更广；复杂地质条件会加剧坝体的损伤情况，且对较大应力区的产生时间与分布情况有显著影响。研究结果证实
了综合考虑地震波的非一致特性与场地地质条件的必要性，可为其他大型工程结构抗震响应分析提供参考。

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关键词：高坝 复杂地基体系；非一致地震波场；行波效应；斜入射地震波；动力响应；并行计算
中图分类号：ＴＶ６４２．１；ＴＵ４３５ 文献标识码：Ａ ｄｏｉ：１０．１３２４３?ｊ．ｃｎｋｉ．ｓｌｘｂ．２０２３００１９

１ 研究背景

我国西南部强震区水能资源丰富，高坝等大型水工建筑物的抗震安全工作面临着十分严峻的挑
战 ［１ － ２］ 。目前以地震动输入机制、结构－ 地基体系动力响应、体系材料动态抗力三者相配套的综合评价体
系已形成共识，但在地震输入机制方面还存在两点不足 ［３ － ４］ ：（１）对于地震传播过程的模拟过于简化，未
能考虑地震动传播方向与空间非一致特性。随着全球地震数据库的不断丰富，以及对震害实例的深入研
究，由地震动非一致性引发的诸多问题引起了工程抗震领域的重视 ［５ － ６］ 。由地震幅值、能量持时与频谱
特性不同所造成的影响体现在结构物振动的空间差异性上 ［７ － ９］ ，而传统的一致激励输入方法难以反映真
实情况。（２）对场地条件考虑不够全面。多项研究证明了不规则地形特征 ［１０］ 、断层与小裂隙分布 ［１１ － １２］ 、
地基参数的成层特性 ［１３］ 对地震波传播带来的影响，且大多数是增强地震动的破坏作用。因此综合考虑这
两方面，研究复杂场地条件下非一致地震波场的模拟与输入成为现阶段备受关注的难点问题。
波场构建分为解析法和数值模拟法：解析方法的核心思路是对传递函数加权叠加以得到输入位移
场 ［１４ － １５］ ，规则均质场地内由非一致激励的 Ｐ波、ＳＶ波和 ＳＨ波引发的地震波场求解较为成熟，但解
析方法受限于规则的场地形状和简单的材料参数；适配于各类大型软件的数值模拟方法则适用范围更
广，因此各类基于有限元法、有限差分法和边界元法等的研究成为复杂场地地震波场计算的主流趋
势。此外，受局部地形条件及上部结构物引发的散射问题等影响，全域波场无法统一计算的问题逐渐

收稿日期：２０２３ － ０１ － １０；网络首发日期：２０２３ － ０９ － １２
网络首发地址：ｈｔｔｐｓ：??ｋｎｓ．ｃｎｋｉ．ｎｅｔ?ｋｃｍｓ?ｄｅｔａｉｌ?１１．１８８２．ＴＶ．２０２３０９０８．１２３２．００１．ｈｔｍｌ
基金项目：国家自然科学基金项目（５１８７９１８５）；国家自然科学面上基金项目（５２１７９１３９）；天津大学自主创新基金项目（２０２３ＸＪＤ －
００６５ ）
作者简介：张佳文（ １９９５ － ），博士生，主要从事水工结构抗震研究。Ｅ － ｍａｉｌ：２０１８２０５３４１＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ
通信作者：李明超（１９７９ － ），教授，主要从事水利工程仿真与安全研究。Ｅ － ｍａｉｌ：ＬＭＣ＠ｔｊｕ．ｅｄｕ．ｃｎ

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