本发明提供一种考虑地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，属于水工结构工程抗震安全分析与响应指标研究领域，涉及随机强震下水工结构工程地震响应的高效数值计算分析，以及响应指标的数学统计性规律研究。
背景技术：
1、高拱坝的抗震分析是其设计、施工以及正常运行中面临的关键问题，也是水工结构工程师们关注的重点问题。
2、在拱坝的抗震性能分析中，数值模拟分析方法能够考虑地震动的特性，计算不同设计工况下混凝土坝结构动力响应，为混凝土坝地震响应研究奠定了坚实的基础。耐震时程分析(eta)法基于时间的动态推覆分析过程，通过预先设计的动力激励计算分析结构的损伤程度和区域，高效获取结构从弹性至塑性甚至破坏的全过程动力响应。相比于其他数值分析方法，该方法在考虑不同地震动强度特性的基础上，显著降低计算耗时，对于综合考虑地震动随机性、强度特性的大型多场耦合水工结构工程的动力分析计算十分有效。在拱坝的数值分析中，需要考虑的因素(例如，坝体–地基动力相互作用、横缝接触非线性和材料非线性等)较多且复杂，强震下混凝土坝的非线性动力行为及损伤模式更为复杂，各种指标之间的联系与量化关系需要深入研究。
3、基于此，本发明采用耐震时程分析法分析混凝土拱坝在不同地震动强度下的动力响应，详细探究各响应指标的离散性以及指标之间的相关性，明确损伤与变形指标之间的相关关系，获得的统计性分析结果可为评估、预测拱坝震害提供有效的分析手段。
技术实现思路
1、采用本发明提出的研究方法能够评估混凝土高拱坝在不同地震动烈度情况下的抗震性能，探明高拱坝的动力响应规律，深入分析混凝土拱坝各地震响应指标之间的相关性，为分析、预测拱坝抗震能力提供理论指导。
2、本发明的技术方案为：
3、不同地震动强度下混凝土拱坝结构动力响应指标分析方法，具体实施步骤如下：
4、(1)三维混凝土拱坝系统有限元模型的建立
5、三维拱坝–坝基系统有限元模型由混凝土双曲拱坝、辐射阻尼基岩两部分组成，模型能够综合考虑材料非线性、以及坝段之间的接触非线性，拱坝坝体部分包含了30个横缝，并将坝体分为31个坝段。本发明采用我国现行水工规范中规定的附加质量方法模拟坝体–库水的相互作用，从而计算动水压力。
6、(2)人工合成不同强度特性的耐震时程加速度曲线
7、三维拱坝结构有限元模型自由度较多，且需要综合考虑各种非线性因素，若采用传统非线性动力时程方法分析不同地震动强度水平的坝体结构响应需要很大的计算量。因此，本发明采用计算效率较高的耐震时程分析法，通过一次地震动的加载，可以获得不同地震动幅值水平下的坝体结构动力响应。设定目标反应谱，通过耐震时程分析法的无约束优化过程，根据预先设定的目标谱合成具有随机特性的十组三分量耐震时程加速度曲线，不同时间间隔的耐震时程加速度曲线对应着不同地震动幅值，并且地震动幅值随时间线性增长。
8、(3)混凝土拱坝结构动力响应指标的获取
9、本发明基于三维粘弹性人工边界方法编制了地震波动程序，将有限元模型边界节点处输入的加速度时程转化为三维粘弹性人工边界上的等效节点力，并进行动力时程分析。本发明采用有限元数值分析软件对混凝土拱坝在十组耐震时程加速度曲线下的动力响应进行对比分析。
10、选择合适的响应指标是拱坝结构地震响应分析的关键，结构动力响应指标主要包括损伤、位移、以及横缝开度，根据以上这三类指标评价拱坝的抗震能力。本发明引入两种整体损伤体积比指标(分别为加权、平方加权形式)量化不同地震烈度下拱坝损伤的发生和发展趋势，定量分析不同峰值下结构的损伤程度，确定拱坝损伤机理，计算公式如下：
11、
12、
13、式中，dt为拉损伤因子，ve为坝体某单元的体积。
14、采用相对位移作为评价坝体变形的指标，本发明提取沿坝顶的位移分布趋势、以及拱坝坝顶中心的位移值作为位移响应指标。
15、本发明统计拱坝三十条横缝在不同幅值下的张开闭合情况，并计算三十条横缝开度的和、以及其最大值，得到了横缝开度和、以及最大横缝开度指标，据此评价拱坝的横缝张开闭合情况，揭示横缝随着地震动强度的变化规律。
16、(4)混凝土拱坝响应指标的离散性和相关性分析
17、本发明量化分析拱坝的各地震响应指标在不同地震动强度水平下的离散程度，并统计拱坝各地震动力响应指标的相关性，其中，响应指标变异系数的计算公式如下式：
18、
19、式中，cv是响应指标的变异系数，x是响应指标，d(·)是响应指标的方差，e(·)是响应指标的均值。
20、采用pearson相关系数来衡量每对指标之间的线性关系，相关系数ρxy计算公式如下：
21、
22、式中，cov(x,y)表示随机变量x与y之间的协方差；d(x)和d(y)分别表示变量x和y的方差。ρxy值在0～1的范围内，值越大，表示随机变量x与n的相关性越强。
23、(5)变形指标与损伤指标的定量分析
24、根据不同峰值下的拱坝动力响应分析结果，采用线性回归方程建立拟合模型，计算各响应指标之间的相关系数，从而选取同类别指标中相关性较强的指标。最终，建立多变量损伤预测模型，根据复合变形指标(坝顶中心处位移、横缝开度)预测拱坝的损伤程度。
25、综合以上
技术实现要素：
，本发明的有益效果如下：
26、(1)本发明采用高效率抗震分析方法确定拱坝的损伤、位移、横缝开度指标随地震动幅值的变化规律。
27、(2)通过本发明对比分析拱坝各动力响应指标在不同地震动强度下的离散性，以及不同指标之间的相关性。
28、(3)本发明建立损伤指标与变形指标的相关关系，建立多变量损伤预测模型，根据可监测的位移、开度指标评估拱坝的损伤程度。
29、综上，本发明揭示不同强度的随机地震作用下混凝土拱坝的动力响应规律，提供一种拱坝在强震下响应指标相关性的分析方法，旨在确定拱坝各动力响应指标之间的定量关系，从而根据可监测的变形指标评估拱坝的损伤程度。
1.一种地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，其特征在于，步骤如下：
2.如权利要求1所述的地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，其特征在于，步骤s1中，建立三维拱坝–坝基系统有限元模型，其由混凝土双曲拱坝、辐射阻尼基岩两部分组成，拱坝坝体部分包含30个横缝，并将坝体分为31个坝段。
3.如权利要求1所述的地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，其特征在于，步骤s1中，采用附加质量方法模拟坝体–库水的相互作用，从而计算动水压力。
4.如权利要求1所述的地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，其特征在于，步骤s2中，采用耐震时程分析法，通过一次地震动的加载，获得不同地震动幅值水平下的坝体结构动力响应；设定目标反应谱，通过耐震时程分析法的无约束优化过程，根据预先设定的目标谱合成具有随机特性的十组三分量耐震时程加速度曲线。
5.如权利要求1所述的地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，其特征在于，步骤s3中，基于三维粘弹性人工边界方法编制地震波动程序，将有限元模型边界节点处输入的加速度时程转化为三维粘弹性人工边界上的等效节点力，并进行动力时程分析；采用有限元数值分析软件对混凝土拱坝在十组耐震时程加速度曲线下的动力响应进行对比分析。
6.如权利要求5所述的地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，其特征在于，通过两种整体损伤体积比指标，分别为加权形式、平方加权形式，量化不同地震烈度下拱坝损伤的发生和发展趋势，定量分析不同峰值下结构的损伤程度，确定拱坝损伤机理，计算公式如下：
7.如权利要求1所述的地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，其特征在于，步骤s4中，量化分析拱坝的各地震响应指标在不同地震动强度水平下的离散程度，并统计拱坝各地震动力响应指标的相关性，其中，响应指标变异系数的计算公式如下式：
8.如权利要求1所述的地震动强度影响的混凝土拱坝结构动力响应指标研究方法，其特征在于，步骤s5中，量化不同峰值下的拱坝动力响应分析结果，采用线性回归方程建立拟合模型，计算各响应指标之间的相关系数，从而选取同类别指标中相关性较强的指标；最终，建立多变量损伤预测模型，根据复合变形指标，即坝顶中心处位移和横缝开度预测拱坝的损伤程度。
