高拱坝系统材料非线性动力分析理论和方法研究

坝体、地基及库水是相互联系相互作用的高拱坝系统。该系统在其正常工作状态遭遇强震作用，坝体或地基可能产生的强非线性、不连续变形乃至失稳破坏过程。现有的理论和方法难以全面地模拟分析强震环境中高拱坝系统的灾变过程。为了实现高拱坝在强震作用下不发生重大破坏的功能目标，研究高拱坝系统非线性动力分析理论和方法具有重要意义。本项目拟在研究大坝混凝土和地基岩石材料动态损伤机理的基础上，建立其更能贴近复杂地震荷载作用下损伤演化规律的本构关系；同时考虑远地基的辐射阻尼、近场地基地形、地质条件、坝体混凝土和岩基损伤开裂、坝体横缝接触非线性以及库水体作用等主要影响因素，建立高拱坝系统地震反应分析的非线性有限元模型，提出相应的计算方法，并开发出高效并行计算程序；为建立在强地震作用下高拱坝系统整体失效分析研究提供理论基础和计算方法。

高拱坝在遇强震作用下其坝体或地基可能会产生强非线性、不连续变形乃至失稳破坏。现有的理论和方法难以全面地模拟分析强地震环境中高拱坝系统的灾变过程，因此，进行高拱坝系统非线性动力分析理论和方法研究，是当前进行高拱坝抗震安全评价的迫切要求。本项目以坝体、地基以及库水体系统作为研究对象，研究内容涵盖远域地基辐射阻尼的模拟；坝体横缝及地基夹层的接触非线性问题；坝体及地基材料的动态性能和大规模方程组并行计算方法等4个方面。本项目研究围绕解决坝体、地基非线性问题，大规模方程组高效并行计算等关键技术难题，进行了混凝土材料的动态性能和破坏机理研究，提出了粘弹性人工边界的虚位移原理、弹塑性隐式阻尼迭代，并进行了强震作用下坝体系统动态损伤演化数值模拟和与高拱坝安全评价指标研究；在大规模方程组高效并行算法研究方面重点研究了并行预条件，同时开发了具有自主知识产权的混凝土坝地震响应高性能并行（PCDSRA）（串行，CDSRA）计算软件系统和大型稀疏线性方程组通用并行预条件子空间迭代软件包（GPPS）。典型的数值试验表明，相同硬件和软件环境下求解自由度为246,177线性方程组，采用GPPS比采用国外同类软件包AZTEC加速了约2.7倍；求解自由度数为16,734,663线性方程组。分别采用65、97、129和153个进程，GPPS相对AZTEC的加速比分别为1.65、1.81、1.67和1.56。采用串行程序在PC机上计算耗费时间500小时的算例，用所开发的PCDSRA在天河一号(A) 采用64个进程仅用0.75个小时。本项目研究历时三年，至此已按计划完成项目的研究任务和预定各项指标，其成果将为强地震作用下高拱坝系统整体失效分析提供理论基础和高效计算工具。