进水塔是水利水电枢纽工程的重要组成部分,随着工程建设规模日益扩大,进水塔作为工程咽喉对枢纽抗震安全的影响更为突出。地震时,动水压力对进水塔结构响应的影响显著、机理复杂,尚需进行系统和深入的研究。进水塔动力响应分析时,合理的地震动输入、地基边界处理、材料本构等是获得正确结果的前提,对此,多数研究仅主要考虑其中一项因素,难以真实反映进水塔在地震时响应。随着一些前所未有的重大水利工程项目的开展,亟待深入探究高耸进水塔流固耦合分析理论方法和真实三维数值仿真模型,以便总结规律、积累经验,为进水塔的抗震设计提供理论参考和科学依据。本文从进水塔动水压力分布和动力分析模型两方面出发,通过数值、解析和半解析手段研究探讨了进水塔在不同因素作用下的动水压力分布规律,考虑地基辐射阻尼影响,提出考虑损伤的岸塔式进水口人工边界计算方法。主要工作和成果如下:(1)在强震作用下,地基、进水塔、水体是一个完整的抵御系统,基于任意拉格朗日-欧拉(ALE)方法,建立了进水塔-地基-水体流固耦合分析模型。通过算例验证了进水塔流固耦合数值方法的正确性。在此基础上,研究了刚性地基群塔和单塔在不同影响因素下的动水压力分布规律,对水工抗震标准中进水塔的附加质量公式的适用性进行了讨论。(2)探讨了实际工程中常见的塔式进水口和岸塔式进水口动水压力分布规律。随着水深的增加,塔式进水口的自振频率逐渐降低。岸塔式进水口随着回填高度增加,频率有着明显提高。塔式进水口受不同频率谐波激励时,激励频率越接近塔体一阶频率,动水压力呈现明显增大;在不同地震动作用下,动水压力曲线分布规律大致相同。岸塔式进水口的动水压力随着回填高度的增大逐渐减小,不同地震动记录激励下动水压力差异较大。(3)基于势流体理论,推导得到了塔式进水口内外域同时存在水体时结构的振型表达式,在此基础上得到动水压力分布方程。在与数值方法进行对比后验证了方法在进水塔结构上的适用性,并分析弹性模量、荷载频率和水体高度等因素对动水压力分布的影响。将计算深水桥墩波浪力时广泛采用的Morison方程引入到进水塔结构,对Morison方程进行扩展,使其可以用于内空矩形截面的塔式进水口。推导结果表明,内外域动水压力均转化为附加质量,其分布与塔体截面形状有直接关系,与水体所处高度无关。(4)基于弹性波动理论,利用FORTRAN语言编制了地基截断边界节点上垂直入射波等效荷载时程生成程序;在粘弹性人工边界理论基础上,通过APDL语言二次开发实现粘弹性人工边界的建立和进水塔结构动力响应求解。提出了适用于岸塔式进水口的粘弹性人工边界实现方法,通过数值试验验证了提出施加方法的正确性。在此基础上,比较了五种不同边界条件下进水塔结构响应,结果表明设置接触并按提出的分区加载粘弹性人工边界方法能够较准确反应进水塔响应。(5)基于无限元和波在弹性介质中传播理论,推导了S波和P波入射情况下,人工边界各侧面节点上等效荷载时程的表达式。给出了无限元-有限元联合建模方法,利用Python脚本进行二次开发,实现边界节点上荷载幅值的生成和准确施加,通过小算例验证了提出的无限元人工边界能够有效解决地基辐射阻尼问题。基于混凝土规范中混凝土材料应力应变关系,得到混凝土弹塑性损伤本构关系及基岩损伤本构和损伤演化曲线。对某岸塔式进水口进行了非线性动力分析,结果表明,进水塔在围岩交界面、几何突变等位置发生损伤,同时在塔体和围岩交界面产生塑性应变,在地震后塔体产生永久变形。