翻译

全尺度实验模态分析的拱坝：the first experience in Iran

摘要

强迫振动试验和有限元研究在沙希德Rajaee拱坝在伊朗北部进行了确定大坝–水库–地基系统的动力特性。第一次强迫振动试验对大坝进行励磁单元的两种不同类型的演出，与有限的最大力量，用螺栓固定在坝顶替代的同相和相序列。由于记录的传感器数量不足，两个层次的传感器被用来覆盖在坝顶充分点以及在测试一个画廊。两种振动试验，对–和扫频，并对大坝进行。对于对称和反对称振动模式的耦合系统的主要固有频率近似中–测试两种测序的激振器，相位和相位，以14 Hz的频率最高。主要的强迫振动试验进行了精确的谐振频率，基于对–测试中横扫近似频率在0.1 Hz的增量进行了研究。基线校正和合适的带通滤波应用到测试记录和随后的信号处理进行了计算汽车的动力，交叉功率和相干光谱。九中模式的耦合系统的振动和相应的阻尼比估计。实证结果表明在使用前校准有限元环境振动试验系统建模的结果相比，考虑–水库大坝–基础相互作用的影响。良好的协议获得的–水库大坝–基础系统八中的实验和数值模拟结果之间的模式。

1景区简介 大坝地震的准确分析是非常重要的因为他们的失败可能导致生命的重大损失和费用。任何分析的过程是由它的能力评估，重现观察到的行为或预测。固有频率等动态特性，模态振型和阻尼比计算大坝地震响应的重要参数。简化的假设通常是在解析和数值方法计算时的性能。这种简化可能会导致不准确的结果，因为在耦合系统参数的复杂性和不确定性。一个大坝–水库–基础系统的不确定性，包括：（一）混凝土的材料性能，各向异性岩体节理，沉积物，和储层结构；（b）等几何地形特征和质量分布，关节接触面，基础的空腔，与储层的形状；（c）的初始荷载条件，例如，噪声，孔隙压力，温度，应力和边界条件；和（d）实际主要负荷估计。全面动态测试是公认的评价结构的最可靠的方法？振动特性。这种测试的要求不断提高，作为新的分析技术的开发考虑复杂的相互作用的现象在许多结构和特别是在大坝–水库–基础系统发生。国家的最先进的数值方法用来评估大坝的抗震性能的精度只能通过比较的结果与现有结构的实验测量真正的评估。实验研究，如振动测试是为此非常有用，即使有一个低层次的激励。有各种不同的振动试验，这是用来获得大坝的动力特性。强迫振动试验在一个现有的结构是获得其动态性质的最精确的方法之一，而合法化这类测试的成本。最常见的强迫振动试验采用稳态正弦激励。“扫频“谐波负载在不同的频率和时域响应应用于大坝记录。动态属性可以通过计算这些响应的傅里叶变换估计。

波多野和高桥[ 1 ]是对实验数据得到结构的振动周期使用自相关技术的第一。他们用这种方法来评价一个利用收集在坝顶地震过程中混凝土拱坝的动力特性数据。Takahashi等人。用另一个大坝[ 2 ]相同的技术。deinum等人。进行强制在emmoson拱坝的环境振动试验和估计的动态性能的大坝使用自动和互功率谱[ 3 ]。蒙蒂塞洛大坝受到1967强迫振动试验和再次在1982和1986。1967实验采用两瓶（22千牛最大力，10 Hz最大频率）与径向力无论在或不相对称或反对称反应的激发。谐振频率和振型是最早试验使用大坝拱悬臂梁模型和集中质量表示的水连接计算机。所有的计算固有频率低于相应的测量12%和19%之间，这可能是由于在拱悬臂梁模型或高估的水的效果，误差。两个大型振动筛采用1982试验（556千牛最大力，30 Hz最大频率）来调查可能的非线性影响程度不同的激振力下。从47到437千牛千牛的总水平力的变化表明没有非线性的频率或阻尼的基本模式[ 4 ]。

强迫振动试验在蒙蒂塞洛的第三组进行了研究，包括水的可压缩性的影响在不同深度

的动水压力的测量。水压力响应的频率接近的大坝[ 4 ]观察高峰。1990，塞文等人。进行了与数学模型[ 5 ]一个比较大的拱坝动力试验。在应力和动水压力条件得到的结果。此外，在1994，毒龙等人。提出了动态振动测试纸（包括强迫和环境）在大河大坝[ 6 ]。他们进行了对称和非对称的第一和第二模式的准确识别过程。1996，杂合性缺失等。进行环境振动测试的翡翠大坝在研究结构的前两阶模态的频率由于提高库水位下降[ 7 ]。1999，丹尼尔和泰勒恰恰证实了环境振动试验结果与模态分析方法[ 8 ]。达尔布雷等人。用环境振动试验获得的莫瓦桑坝[ 9 ]的自然频率。普罗克斯和paultre进行强迫振动试验在魁北克北部的乌塔尔德3坝，加拿大在夏季和冬季条件[ 10 ]。结果表明，在炎热的夏季条件可能的关节运动，这是更加明显，在恶劣的冬季条件。在冬季条件下清晰地显示关节运动得到的强迫振动试验结果，但更重要的是强调了一个变化的动态行为由于厚厚的冰覆盖的冬季[ 11 ]中提出。强迫振动试验进行了埃莫松坝拱坝，在法国和瑞士边境，在1-yearperiod对重要–水库大坝的交互作用和对水位的影响[ 12 ]摆脱一些新的光。几次尝试已在1971圣费尔南多地震以来确定的Pacoima大坝的模态特性。强迫振动试验是在七月1971，四月1980，七月/八月2002；从1994北岭地震和2001年1月13日的录音被用于系统辨识研究。在所有的情况下，两种基本模式进行了识别与对称和非对称的形状，和对称模式有一个比反对称模式下的频率。然而，固有频率和阻尼的确定方式不同[ 13 ]。

而对于混凝土坝动力分析的国家的最先进的数学建模的发展迅速，近年来，一些研究已经完成，以验证实验测试，在世界各地，并没有什么特别的试验已进行了在伊朗。本文介绍了第一次强迫振动试验在一个现代的混凝土拱坝而能力有限的设备在伊朗的应用。由于缺乏有效的设备，如用适当的力水平记录和励磁机响应的传感器数量充足，我们不得不在我们的测试中有创新。使用自动经典信号处理，交叉和从强迫振动试验记录相干光谱是用来评估的混凝土拱坝的动力特性。

2。强迫振动试验在沙希德Rajaee拱坝

强迫振动试验是在沙希德Rajaee混凝土双曲拱坝在伊朗进行的。大坝位于该河，长约35公里的纱丽市东南方的马赞达兰省，国会大厦（200公里的德黑兰东北）。它的设计和施工是1989和1997之间进行。水库水位为18米以下的波峰的强迫振动试验中。大坝的主要规格列于表1

表1。

该rajaie坝规格。

坝双曲型

坝顶长度427米

身高138米

在基部27 m厚

顶部7米厚度

191.5×库容106 m3

强迫振动试验的一个非传统的方法是采用这个大坝实验。通常，测试使用的是大量的船员和大量试验设备进行。强迫振动试验的描述是特别设计利用设备的最小值是可用的。 强迫振动试验是利用IIEES进行（国际地震工程和地震研究所）的检测设施和设备描述如下：单一汽车和一个双电机兴奋单位以及最大的激励力和20 30 KN，respectively，were used。这样的exciters are for Small常用结构像建筑物。由于这些令人兴奋的单位有不同

性质和小容量比What are used for块状结构such as水坝，一些电子和机械设备进行设计和used to control theoperation to produce同步of the exciter s合理的激励力和他们的操作在双相and out - of在相位序列

两种类型的响应记录传感器，加速度计和九九fba-11 SS-1型地震仪。

六ssr-1数据采集系统与便携式计算机。

2.1。励磁单元和传感器的优化布置

一个有限元模型的–水库大坝–基础系统对应的真实几何形状的大坝和现场地形的开发。对有限元模型进行了模态分析和大坝的振型均为代表的平面视图找到励磁单元和传感器的最佳安排。从理论的角度，对励磁机组的最佳位置点，对结构的最大位移。相应地，励磁装置分别安装在对应的不同模式的最大位移点的形状。

获得足够精度的近似模式的形状从试验中，有必要对大坝坝顶以上的传感器。另一方面，更多的传感器的使用，更大的成本和处理时间，所以最佳的情况下寻求的波峰和用有限元方法对传感器的布置画廊。至少两个位置安装传感器在不同振型的节点所需的。另一方面，由于缺乏足够的传感器，传感器的两个不同的安排进行强迫振动试验，对这两个安排重复。 强迫振动测试传感器的两个不同的安排，重复。两种不同的同相和外的励磁装置的操作条件 阶段被用来激发振动相应的对称和非对称模式。某一基站被选择作为一个参考点，左在同一位置的两个安排。总的来说，18个传感器，九fba-11加速度计和九个SS-1地震检波器在这些测试中的应用

2.2。强迫振动试验操作

两个激发units were螺on the坝顶at the specified的位置。记录传感器是安装和平衡on the Dam波峰和一个画廊According to the first specified的安排。

初步试验，其中大坝响应研究是通过以坝两种不同的类型的传感器选择的主要强迫振动试验数据采集参数进行。在初步测试，获得数字1，10和100，分别应用于传感器的两种，fba-11和SS-1。这些测试使用的最大频率为14 Hz进行。结果表明，增益为100 fba-11传感器记录没有数据。作为增益系数增大，满量程范围缩小。确保我们正在获取的最佳分辨率数据，选择了一个足够大的尺寸范围内的最高增益因子。增益被选定为记录两种传感器[ 14 ]

10。采样率选择以避免混叠（即，对不同的信号变得难以区分彼此，或别名，当采样）。大坝响应可以忽略不计的功率超过20赫兹和83.3赫兹，使用采样频率远高于 Shannon采样定理[ 15 ]，以避免混叠要求。为全面测试发现频率的有效范围，一系列的测试–了同相和异与14赫兹的最大频率相位测试条件下进行。在这种方式中，两个对称和反对称模式的谐振频率被迅速逼近。近似自然频率估计的初步试验中使用的主要强迫振动试验找到确切的谐振频率在设定适当的频率增量。一个小的频率0.1 Hz的增量在初步使用的频率，来准确地估计共振峰。主要的强迫振动试验是基于从上述初步试验确定参数的数据采集记录传感器布置进行了第一次。主要试验记录的传感器覆盖更多的点沿坝顶和坝画廊第二层次重复，特别是为了更准确地确定谐振频率的振型

3。利用强迫振动试验记录的动态性能评价

结构的动态特性，可以使用的技术，如峰值提取（PP）和频域分解（FDD）在频域中[ 16 ]和[ 17 ]，随机子空间识别（SSI）在时域上[ 18 ]，和连续小波变换（CWT）在时间–频率域

[ 19 ]和[ 20 ]。对输出系统模态识别的经典方法是基于离散傅立叶变换的简单的信号处理，并使用事实分离的模式可以从功率谱密度函数[ 21 ]峰直接识别。这一经典技术给出了固有

频率和模态振型的合理估计如果模式得到了很好的分离。处理算法评估的固有频率，振型和阻尼比的试验记录，如图5所示。基线校正，和低通和高通滤波应用于记录。功率谱密度（PSD），互功率谱密度（CSD）和相干谱得到主共振频率。CSD是一个复杂的功能和其振幅频率可以被用来确定的固有频率和CSD的相位可以用来获得的振动模式的形状。相干光谱是用来验证从PSD和CSD得到的频率。相干谱的变化从零到一个指示不相关和完全相关的在一个给定的频率，分别为。

4。有限元分析 一个三维有限元模型–水库大坝–基础系统对应的真实几何形状的大坝和现场地形的开发。的有限元模型和假设的特点包括：3360、5742等参8节点砖元模拟拱坝坝体和地基，分别；4074参8节点的流体单元模拟储层；各向同性线弹性混凝土和岩石；无质量地基；300米长（水库大坝的2.5倍高）；水库水位18米以下的波峰（同实验条件）；180米基础半径（1.5倍坝高）；混凝土的弹性模量（28 GPa前环境振动试验结果[ 29 ]获得）；泊松 混凝土的比例为0.18；对24 kN /立方米混凝土比重；泊松 的岩石比0.18；对24 kN／m3岩石的比重；11 GPA的岩石的弹性模量（从以前的环境振动试验结果[ 29 ]获得）；与1440米/秒的水可压缩库水声波速度

压缩压力参数的流体元件用于欧拉方法的油藏模型。模态分析是利用了耦合的问题，如那些涉及流体-结构相互作用的计算机程序进行。这是从环境振动测试得到的坝体和地基的最佳性能进行分析。这些参数包括：EC = 28 GPa和EF = 11 GPa，其中EC和EF是混凝土和岩石的弹性模量，分别。这些设计参数值不推荐使用，因为建筑和环境条件的不确定性。同时，如果没有关于环境测试结果信息，可以使用一个优化过程的计算大坝和地基的性质来实现通过强迫试验和有限元分析结果吻合良好。

5。强迫振动试验结果

的固有频率和强迫振动试验得到了相应的阻尼比，满和空库系统的有限元分析，和前环境振动试验[ 29 ]的结果列于表2。有限元分析表明，全储层影响系统的共振频率与空库的比较。这种减少是相当大的更高的振动模式，是由于附加质量的影响–从坝水库相互作用产生的。一个具有相同的水位在强迫振动试验的全藏的结果与实验结果吻合较好。对结构体系的动力响应是由每个振型的阻尼比的影响。结构阻尼比通常假设基于之前的经验，主要是因为他们很难估计。在大多数情况下，相同的阻尼比是所有振动模式的假设，他们是独立的振幅和频率。jeary [ 22 ]和[ 25 ]向外发现实际阻尼比是依赖于激励的频率和振幅。阻尼比估计从环境和强迫振动试验不能外推到阻尼比在强地震的晃动。在强震动，相当多的非线性材料的降解可以在结构和土壤发生，这通常会增加大株整个坝–基础系统的阻尼比。然而，固有频率估计从环境和强迫振动试验通常在强烈地震作用下上部的实际固有频率的约束，而阻尼比估计从环境和强迫振动试验通常是一个下界的实际阻尼比下强励。模态频率和阻尼比的估计从沙希德Rajaee拱坝强迫振动试验表明，阻尼比和模态频率的增加。估计阻尼比在最初的几个低频率的基本模式是相当低的，这表明小能量消耗在低幅度构造变形和大部分的大坝变形为一个刚体。然而，对于更高频率模式的高振幅的变形发生，这可能导致更高的阻尼比。

6未来的测试改进建议

在未来的大坝测试获得质量更好的结果，必要的主要改进如下：

（1）使用较重的励磁机的单位，可赋予更大的力量在大坝，尤其是在3赫兹以下的频率。这将允许较低的模式被检测到的强迫振动试验。两个激振器应该继续使用，使对称和反对称模态被激发有效。（2）使用尽可能的多传感器。仅使用18个传感器很难准确地确定模式

的形状，特别是对于高阶模态，即使重复试验，与两个不同的传感器的安排。40–50传感器会取得更好的结果的部署。

7。结论

利用非常有限的可用设备进行的第一次强迫振动试验的拱坝在伊朗。这些实验进行同相和异相励磁机单位安排和两个传感器布置。得到的模式的形状估计从强迫振动试验和有限元分析八个频率对应的第五到第十二个振动模式之间有很好的一致性。大坝的振动前四阶不确定使用强迫振动试验由于在低频率时的励磁机的非常低的力量。要确定这些低频模式，环境振动试验。最后通过相应频率的有限元分析没有得到相应的模式形状（f = 14赫兹）的强迫振动试验（模式13）。

杂音-信号比，激励强度不足的力量激发高频率模式来安排，and inappropriate for some of传感器和振动模式exciters are the likely contributing to the lack of Agreement来源。 鸣谢

the authors wish to thank for their该mivechi and圣雄艾哈迈迪help during this研究。We arevery grateful to the Ministry of Power，国际地震工程和地震（iiees），mahab ghodss咨询工程师和区域水mazandaran for their公司支持与合作。

引用