考虑横缝非线性的高拱坝损伤开裂分析
发布时间：2021-03-11 04:28
拱坝体型单薄,节约建筑材料,又具备承载力强、经济性好等优点,在我国水能资源丰富的西南地区选用率很高,而西南地区处欧亚地震带之内,属于地震频发的地区,因而拱坝的抗震问题就显得尤为突出。历史上已经发生的拱坝震害实例说明拱坝的抗震性能良好,但这些实例仅限于较低的拱坝,目前还没有高拱坝受到强震的震害实例。因此本课题从高拱坝超载能力的角度出发,结合混凝土材料在地震动拉-压循环荷载作用下的非线性特征,并考虑了高拱坝在地震前施工中形成的施工初始应力场,结合附加质量法分析了天然地震波频谱特性下的高拱坝损伤开裂特征。同时由于拱坝横缝的特殊性,如考虑横缝时会削弱坝体整体刚度,地震荷载作用下横缝间的非线性接触会影响拱坝的损伤区域,基于坝体材料塑性损伤研究的基础上对拱坝分缝,考虑横缝非线性接触下的拱坝损伤开裂分析。本次研究的主要工作有:（1）在对设计资料研究的基础上,建立坝体-地基-库水耦联系统。依据设计资料的特征水位设计坝前无水工况、死水位工况、正常蓄水位工况进行模态分析,并与以往学者计算的拉西瓦拱坝有限元模型结果进行对比,得到死水位工况下的基频差异为1.18%,与以往实验差异性小说明模型的精度及参数选取的...
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球几大地震带分布图
1绪论3震动参数区划图，图中可清晰显示西南部为我国强震频发地域；新版GB1247-2018《水工建筑物抗震设计规范》对已建投入使用的水工结构也建议根据水工建筑物所处区域的各自特点提出重新复核各自结构的抗震能力的建议。基于以上这些规范政策的出台足以说明高拱坝结构抗震的重要性。图1-22015版全国不同等级级地震动参数区分布图Fig.1-2Distributionofseismicparametersfordifferentgradesinthe2015Edition高拱坝结构在我国属于大型水利基础设施，一座综合型水利枢纽的兴建往往耗时持久，资金投资量巨大，但完建后经济效益也不言而喻。但大坝壅水量巨大，如若处置不当，极有可能导致水灾，威胁到下游人民的生命财产安全。特别是在地震巨大瞬时荷载作用下，坝体材料的承载力、刚度、强度会退化，坝体结构的稳定性也随之降低。本课题开展的目的在于及时了解坝体结构在强震作用下材料的弱化特性，坝体损伤开裂机制，可对大坝的薄弱区域进行补强，避免事故的发生，也可对后续类似大坝的设计优化提供一定程度上的借鉴。1.2高拱坝抗震在国内外研究中常见考虑因素及发展趋势随着对混凝土高坝结构研究的深入，众多学者意识到引起坝工结构地震动响应差异的原因是多样的，但究极坝工结构的关键因素时，在最新版《水工建筑物抗震设计规范》（GB1247-2018）中也提到了应妥善考虑地震中库水-坝体-地基耦联系统间力的作用，坝体材料在地震作用下呈现的非线性软化特征，坝工结构预留横缝的非线性接触影响因素，坝址处及周围岩体地质构造因素，地震波在地基传输中的无限地基辐射阻尼因素等。鉴于各高拱坝的体型设计、遭遇不同峰值加速下的地震（特别是强地震）以及各个坝址处及周遭岩基的地质构造不尽相同，很难用统一的抗震规范指标来量化高拱坝及特高拱坝
1绪论5图1-3有限元库水-坝体-地基耦联系统示意图Fig.1-3Schematicdiagramofwaterdamfoundationcouplingsystemoffiniteelementreservoir1.2.2混凝土坝体极限荷载下的非线性行为混凝土作为拱坝的主要建筑材料可以充分发挥其抗压强度，但其抗拉强度低，容易造成结构刚度退化进而导致结构失稳[27][28]。特别是在地震频发的西南、西北地区，坝体在地震循环荷载作用下可能会发生较大变形进而导致结构失效[29]。基于线性弹性力学的思想结合拉应力规范控制标准在有限元分析中常用来模拟高拱坝应力-应变等物理参数指标，且拱坝坝体基本可视为素混凝土结构，在合理的荷载控制标准内，其力学特性可视为线弹性。若将拱坝在地震中所受应力考虑为逐渐增大的拉压循环荷载，相比于压应力，混凝土的拉应力会先导致结构内部出现裂缝，结构刚度显着降低并出现应变软化现象。若采取线性弹性力学的思想来考虑高拱坝混凝土的应变软化特性显然是不合理的，应客观基于实际情况选择合适的混凝土塑性本构模型作为考虑影响大坝安全的关键因素，以便确定地震动惯性力作用下大坝结构的薄弱部位以及极限地震动惯性力作用下的大坝结构的失稳问题[30-32]。混凝土结构设计规范[33]中也要求对高拱坝一类重要的建筑物进行基于实测混凝土强度下的塑性仿真计算，故应选择合理的塑性损伤本构来模拟坝体材料的刚度退化、拉伸压缩物理现象、应力-应变软化特性、损伤开裂等行为。张楚汉等[34][35]对当前混凝土细观力学的发展进行综述，介绍了细观层次的混凝土仿真预处理技术、仿真数值模型和方法等方面的科研学术趋势，给出了混凝土材料力学特性上有待挖掘的研究内容。贾明晓[36]对国内外宏细观本构模型的研究进展进行了总结,比较了混凝土宏观和细观研究各自的优缺点,通过
本文编号：3075858
【文章来源】：华北水利水电大学河南省
【文章页数】：80 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
全球几大地震带分布图
1绪论3震动参数区划图，图中可清晰显示西南部为我国强震频发地域；新版GB1247-2018《水工建筑物抗震设计规范》对已建投入使用的水工结构也建议根据水工建筑物所处区域的各自特点提出重新复核各自结构的抗震能力的建议。基于以上这些规范政策的出台足以说明高拱坝结构抗震的重要性。图1-22015版全国不同等级级地震动参数区分布图Fig.1-2Distributionofseismicparametersfordifferentgradesinthe2015Edition高拱坝结构在我国属于大型水利基础设施，一座综合型水利枢纽的兴建往往耗时持久，资金投资量巨大，但完建后经济效益也不言而喻。但大坝壅水量巨大，如若处置不当，极有可能导致水灾，威胁到下游人民的生命财产安全。特别是在地震巨大瞬时荷载作用下，坝体材料的承载力、刚度、强度会退化，坝体结构的稳定性也随之降低。本课题开展的目的在于及时了解坝体结构在强震作用下材料的弱化特性，坝体损伤开裂机制，可对大坝的薄弱区域进行补强，避免事故的发生，也可对后续类似大坝的设计优化提供一定程度上的借鉴。1.2高拱坝抗震在国内外研究中常见考虑因素及发展趋势随着对混凝土高坝结构研究的深入，众多学者意识到引起坝工结构地震动响应差异的原因是多样的，但究极坝工结构的关键因素时，在最新版《水工建筑物抗震设计规范》（GB1247-2018）中也提到了应妥善考虑地震中库水-坝体-地基耦联系统间力的作用，坝体材料在地震作用下呈现的非线性软化特征，坝工结构预留横缝的非线性接触影响因素，坝址处及周围岩体地质构造因素，地震波在地基传输中的无限地基辐射阻尼因素等。鉴于各高拱坝的体型设计、遭遇不同峰值加速下的地震（特别是强地震）以及各个坝址处及周遭岩基的地质构造不尽相同，很难用统一的抗震规范指标来量化高拱坝及特高拱坝
1绪论5图1-3有限元库水-坝体-地基耦联系统示意图Fig.1-3Schematicdiagramofwaterdamfoundationcouplingsystemoffiniteelementreservoir1.2.2混凝土坝体极限荷载下的非线性行为混凝土作为拱坝的主要建筑材料可以充分发挥其抗压强度，但其抗拉强度低，容易造成结构刚度退化进而导致结构失稳[27][28]。特别是在地震频发的西南、西北地区，坝体在地震循环荷载作用下可能会发生较大变形进而导致结构失效[29]。基于线性弹性力学的思想结合拉应力规范控制标准在有限元分析中常用来模拟高拱坝应力-应变等物理参数指标，且拱坝坝体基本可视为素混凝土结构，在合理的荷载控制标准内，其力学特性可视为线弹性。若将拱坝在地震中所受应力考虑为逐渐增大的拉压循环荷载，相比于压应力，混凝土的拉应力会先导致结构内部出现裂缝，结构刚度显着降低并出现应变软化现象。若采取线性弹性力学的思想来考虑高拱坝混凝土的应变软化特性显然是不合理的，应客观基于实际情况选择合适的混凝土塑性本构模型作为考虑影响大坝安全的关键因素，以便确定地震动惯性力作用下大坝结构的薄弱部位以及极限地震动惯性力作用下的大坝结构的失稳问题[30-32]。混凝土结构设计规范[33]中也要求对高拱坝一类重要的建筑物进行基于实测混凝土强度下的塑性仿真计算，故应选择合理的塑性损伤本构来模拟坝体材料的刚度退化、拉伸压缩物理现象、应力-应变软化特性、损伤开裂等行为。张楚汉等[34][35]对当前混凝土细观力学的发展进行综述，介绍了细观层次的混凝土仿真预处理技术、仿真数值模型和方法等方面的科研学术趋势，给出了混凝土材料力学特性上有待挖掘的研究内容。贾明晓[36]对国内外宏细观本构模型的研究进展进行了总结,比较了混凝土宏观和细观研究各自的优缺点,通过
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