本发明提供了一种评估近断层地震动p波斜入射下水工结构抗震性能的分析方法，属于水工结构工程抗震性能分析与响应预测领域，涉及水工结构工程在脉冲、非脉冲型地震作用下不同入射角度的响应分析和损伤预测。
背景技术：
1、我国正在大力发展清洁能源，其中水力发电起到了举足轻重的作用，在保障能源安全、减少碳排放和促进可持续发展方面具有巨大的潜力和优势。目前，我国水力发电发展取得了显著的成就，在水资源十分丰富的西部地区建设了世界级混凝土坝，满足了人们对电力、灌溉、以及船运等的需求。然而，受到西部地区地质和工程经济条件的制约，当地的一些水工建筑物选址不可避免地穿越近断层区域。由于近断层地震动的随机性、不确定性以及可能包含的脉冲特征，这给大型水工结构工程带来了巨大的破坏风险。一旦水工结构发生失效垮塌，后果将不堪设想。
2、在近断层区域，地震波会由于震源距过小而发生一定偏折，从而导致近断层地震动的斜入射输入，引起了国内外学者的广泛关注。研究表明除了近断层地震动的地震学特征对水工结构的地震响应具有显著影响以外，近断层地震动的入射角度也对水工建筑物的破坏程度具有重要影响。因此，开展水工结构工程在不同地震学特征近断层地震动斜入射下的损伤响应研究具有十分重要的意义和应用价值。以上研究能够揭示影响近断层地震响应的关键因素，确定地震特征参数、入射角度与地震损伤响应之间的量化关系。
3、本发明旨在探究不同入射角度近断层p波作用下混凝土坝的抗震性能和损伤程度，探究影响混凝土坝地震损伤响应的关键因素，建立近断层地震损伤响应与地震动入射角度、地震学特征参数间的相关关系，并提出地震损伤响应预测模型，为水工结构工程在近断层区域内的损伤预测、评估提供可靠的分析方法。
技术实现思路
1、本发明提出近断层p波斜入射下混凝土坝损伤响应的预测方法，从太平洋地震研究中心筛选符合场地条件的典型近断层脉冲型地震动，采用粘弹性人工边界方法编写地震动斜入射程序，分别将有无脉冲特征的近断层地震动输入至结构有限元模型系统基底部分，利用本发明提出的损伤体积比指标计算结构在不同入射角度下的近断层地震动损伤响应，最后建立入射角度、地震动特征参数与混凝土坝损伤响应结果的量化关系，识别出对坝体结构破坏严重的最不利入射角度。
2、本发明的技术方案为：
3、基于近断层地震动p波斜入射的混凝土坝体结构抗震性能分析方法，步骤如下：
4、(1)建立混凝土重力坝系统有限元模型
5、利用有限元数值分析软件建立混凝土坝系统有限元模型，包含混凝土坝体结构、地基以及库水部分。本发明以实际工程为基础，模拟真实地震事件下混凝土坝的实际运行环境。采用二维四节点平面应变单元离散混凝土坝体，并在可能出现裂缝的坝踵和坝面折坡区域进行加密细化处理。坝体结构受到的主要荷载包含坝体自重、静水压力(静水位为91.75m)、动水压力，以及近断层地震作用。
6、(2)近断层脉冲型地震动的分解
7、本发明旨在探究有无脉冲特性近断层地震动在斜入射下的响应差异，需要获得地震动特性相似的脉冲型和非脉冲型近断层地震动，因此，本发明提取典型地震记录中沿两个正交方向观测到的最强速度脉冲时程，使用小波变换技术分解脉冲型地震动时程，相应数学理论及分解计算过程可参见文献[1]。
8、(3)基于地震动加速度时程计算模型各边界节点上的等效荷载
9、参照刘晶波和吕彦东[2]的文献，采用粘弹性人工边界理论求解地震响应，需将输入的地震动加速度或位移、速度时程转化为作用于各边界节点上的等效荷载。在强震激励下，根据系统的动力平衡方程，底面边界、左边界、以及右边界节点上的等效荷载计算公式如下：
10、
11、
12、
13、根据地震波斜入射波动理论，当p波以θ1(入射p波与竖直向夹角)角度入射时，自由表面会产生反射的p波以及反射的sv波，如图3所示，此时反射p波、sv波下的放大系数a1、a2及反射sv波与竖直向夹角θ2计算公式如下：
14、θ2＝arcsin(cssin(θ1)/cp) (4)
15、
16、p波斜入射下的时间间隔、位移以及应力项可按下式计算，而速度项可由位移项求导得到：
17、
18、
19、
20、
21、
22、将上述式(4)～(10)带入式(1)～(3)中，即可得到p波斜入射下各边界节点处的等效力。本发明基于上述粘弹性人工边界理论，编制地震动斜入射输入程序，将地震波的速度、加速度和位移时程转换为每个边界节点上的等效力，有关p波斜入射的详细理论推导过程可参见文献[3]。
23、(4)近断层地震动p波斜入射下的混凝土坝结构动力响应分析
24、本发明将各边界节点的等效力时程集成至有限元数值分析软件中，对水工结构进行非线性动力时程分析，得到混凝土坝的损伤响应。本发明采用损伤体积比(dvr)作为评价坝体损伤的指标，监测坝体的损伤开裂行为，dvr的计算公式如下：
25、
26、式中，dvr为损伤体积比，dt为拉损伤因子，ve为单元体积。
27、采用归一化坝体损伤指标评价地震动斜入射引起的坝体响应差异，由于p波60°斜入射时的坝体损伤响应近乎最大值，以此响应值作为分母，则归一化损伤响应rdvr定义如下：
28、
29、式中，dvrp-angle和dvrp-60angle分别为p波不同入射角度和60°时的dvr响应结果。
30、(5)提出任意入射角度下水工结构坝体损伤响应预测模型
31、本发明基于上述研究建立近断层地震动特征参数、入射角度与坝体损伤响应之间的相关关系，提出如下的近断层地震损伤响应预测模型：
32、rdvr＝a1+a2·θ+a3·(v/a)+a4·θ·(v/a)+a5·θ2+a6·θ2·(v/a) (13)
33、式中，a1,a2,a3,a4,a5,a6为损伤预测模型中的系数，本发明采用最小二乘拟合方法进行求解；pgv/pga简写为v/a，θ代表近断层地震动入射角度。
34、综合以上
技术实现要素：
，本发明的有益效果如下：
35、(1)本发明基于粘弹性人工边界理论编制地震动斜入射波动程序，精确求解不同入射角度下混凝土坝–地基系统各边界节点上的等效荷载，模拟半无限介质的弹性恢复能力，计算速度快、精度高、稳定性好。
36、(2)本发明对比分析近断层脉冲型、非脉冲型地震动在不同入射角度下的坝体损伤响应，直观、准确地评价混凝土坝的抗震能力。
37、(3)基于近断层地震动参数、入射角度，提出评价坝体损伤程度的多变量三维曲面预测模型，可以准确评估混凝土坝近断层地震响应。
38、因此，本发明提出一种混凝土坝体结构动力响应分析与预测方法，用于确定近断层脉冲型地震动最不利入射角度和坝体最大损伤响应，编制近断层p波斜入射输入程序，充分考虑近断层地震动特性、入射角度的影响，并建立多维损伤响应预测模型，准确评估坝体结构损伤程度。
1.一种近断层地震动p波斜入射下水工结构抗震性能分析方法，其特征在于，步骤如下：
2.如权利要求1所述的近断层地震动p波斜入射下水工结构抗震性能分析方法，其特征在于，步骤s1中，利用有限元数值分析软件建立混凝土坝系统有限元模型，包含混凝土坝体结构、地基以及库水部分；以实际工程为基础，模拟真实地震事件下混凝土坝的实际运行环境；采用二维四节点平面应变单元离散混凝土坝体，并在可能出现裂缝的坝踵和坝面折坡区域进行加密细化处理。
3.如权利要求1所述的近断层地震动p波斜入射下水工结构抗震性能分析方法，其特征在于，步骤s2中，提取典型地震记录中沿两个正交方向观测到的最强速度脉冲时程，使用小波变换技术分解脉冲型地震动时程。
4.如权利要求1所述的近断层地震动p波斜入射下水工结构抗震性能分析方法，其特征在于，步骤s3中，采用粘弹性人工边界理论求解地震响应，将输入的地震动加速度或位移、速度时程转化为作用于各边界节点上的等效荷载。在强震激励下，根据系统的动力平衡方程，底面边界、左边界、以及右边界节点上的等效荷载计算公式如下：
5.如权利要求1所述的近断层地震动p波斜入射下水工结构抗震性能分析方法，其特征在于，步骤s4中，将各边界节点的等效力时程集成至有限元数值分析软件中，对水工结构进行非线性动力时程分析，得到混凝土坝的损伤响应；采用损伤体积比作为评价坝体损伤的指标，监测坝体的损伤开裂行为，dvr的计算公式如下：
6.如权利要求1所述的近断层地震动p波斜入射下水工结构抗震性能分析方法，其特征在于，步骤s5中，基于研究建立近断层地震动特征参数、入射角度与坝体损伤响应之间的相关关系，通过如下的近断层地震损伤响应预测模型进行损伤响应预测：
