高拱壩地震損傷破壞的數(shù)值模擬

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1、水利學報2008年7月SHUILIXUEBAO第39卷第7期文章編號:055929350(2008)0720848206高拱壩地震損傷破壞的數(shù)值模擬鐘紅,林皋,李建波,胡志強(大連理工大學海岸與近海工程國家重點實驗室,遼寧大連116024)摘要:本文在假設混凝土宏觀均質的基礎上考慮細觀不均勻性的影響,采用帶殘余強度的雙折線損傷演化模型和帶冪函數(shù)下降段的損傷演化模型,結合帶拉伸截斷的摩爾2庫侖破壞準則,探討了高拱壩在地震作用下的裂縫擴展和破壞形態(tài)。某即將興建的拱壩的計算結果表明,混凝土大壩破壞主要由拉應力引起,開裂從壩頂中部開始,裂紋主要出現(xiàn)

2、在壩體上部,其余部位基本保持完好。計算結果得出的最終破壞形態(tài)與模型試驗基本一致。關鍵詞:細觀不均勻性;地震損傷破壞;拱壩中圖分類號:TV312文獻標識碼:A1研究背景我國有一批300m級的超高拱壩將在長江、黃河上游等西南、西北強地震區(qū)進行建設,大壩抗震安全成為需要解決的關鍵技術之一?;炷凉皦蔚撵o動力分析傳統(tǒng)上采用線彈性方法,對大壩的安全評價采用以混凝土單軸抗拉強度為標準的強度準則。分析結果往往有部分高應力區(qū)超過材料的抗拉強度,從而出現(xiàn)損傷或開裂。為了盡量準確地反映大壩的真實工作狀況,必須采用非線性分析方法,考慮出現(xiàn)損傷或開裂后混凝土的行為

3、以及對大壩的整體抗力的影響,以便對大壩的抗震安全性作出科學的判斷?;炷翞闇蚀嘈圆牧?對這類材料裂縫損傷發(fā)展的計算模型和數(shù)值計算方法目前還處于發(fā)展階段。在有限元框架內的裂縫計算模型有分離式裂縫模型(discretecrackmodel)和彌散式裂紋模型(smearedcrackmodel)兩類。分離式裂縫模型應用斷裂力學概念來模擬混凝土中的離散裂縫,可獲得裂縫的幾何形態(tài),適用于裂縫較少、主干裂縫發(fā)生和發(fā)展的部位和方向都比較明確且事先接近已知的情形。缺點是需要在裂尖重新剖分網(wǎng)格,計算復雜且計算量大,在大壩尤其是拱壩的動力分析中很少采用。彌散式

4、裂紋模型,包括Bazant的鈍斷裂帶模型,應用連續(xù)介質力學理論,通過修改本構方程模擬混凝土的開裂行為。在反映裂縫引起的各向異性特性方面存在困難。有的作者近似地應用旋轉裂縫模型來克服,但各方向裂縫耦合的根本性問題難以解決。此外,這種模型在分析過程中需要預測裂縫發(fā)展的部位,并且對網(wǎng)格的方向也十分敏感,需要在計算過程中不斷調整網(wǎng)格拓撲,給大體積結構的數(shù)值分析帶來相當大的難度。[1]有限元框架內的另一類裂縫計算模型是在連續(xù)介質損傷力學基礎上建立的。這種模型采用材料劣化的途徑來模擬微裂紋萌生、擴展、橋接、成核的平均效應。對于脆性材料承受拉應力的情形,

5、損傷被定義為剛度的退化。損傷力學模型在大體積混凝土結構動力分析中有較多應用。但這種模型只能模擬裂縫引起的結構損傷部位、損傷程度及其對結構力學性能的影響,而難以模擬裂縫引起的大壩損傷破壞模式及形態(tài)。這種模型同樣存在各向異性損傷問題。特別對受到地震等循環(huán)荷載作用的裂縫開合過程收稿日期:2007208227基金項目:國家自然科學基金重點資助項目(90510018,50139010);中國博士后科學基金(20060390986)作者簡介:鐘紅(1981-),女,博士,主要從事大壩抗震數(shù)值模擬研究。E2mail:zhonghongm@126.com—

6、848—的模擬缺乏有效的準則。開裂與塑性耦合也比較困難。對于預想的開裂區(qū)域,一般也需要加密網(wǎng)格。近年來上述模型應用于混凝土壩地震損傷破壞的數(shù)值分析有了比較大的發(fā)展,但比較多的文獻仍[2]然偏重于二維重力壩的地震響應分析,對印度Koyna壩地震損傷斷裂的模擬獲得了較好的效果。在[3]三維拱壩方面比較有代表性的是Valliappan等應用彈性損傷模型研究了剛性地基上拱壩的地震損傷[4]范圍,Lotfi等應用彌散性裂縫模型研究了剛性地基上拱壩的地震拉應力分布,估計了可能的開裂范圍。計算中單元出現(xiàn)非正交裂縫后,對應力應變關系進行調整,同時引入界面單

7、元,可結合進行離散性[5]裂縫的耦合分析。我國陳健云等基于速率相關的損傷力學模型,研究了拱壩的地震響應與可能的損[6]傷區(qū)域,杜榮強等建立了反映多軸損傷破壞特性的各向異性彈塑性損傷模型進行拱壩地震響應分析。[7][8]崔玉柱等用剛體彈簧元研究了梅花拱壩的破壞機理,潘堅文等在拱壩的地震開裂分析中考慮了塑性耦合影響。潘文的特點是網(wǎng)格分得比較細,考慮了橫縫張合的影響,研究了配筋對損傷開裂的影響,地基采用無質量地基模型??偟目磥?三維拱壩的地震損傷分析受到研究者愈來愈廣泛的重視,但由于問題的復雜性,大多引入了一些比較簡化的假定。例如,多軸損傷開裂只

8、能近似考慮,彈塑性耦合中有的采用了理想塑性,有的采用了過度簡化的塑性屈服面,對無限地基的影響一般都作了簡化。因此,計算結果都存在有較大的局限性。上述計算一般只能估計拱壩的地震損傷

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