高壩會議-楊強

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1、第一屆全國高壩安全學術會議高拱壩—壩肩結構抗震穩(wěn)定與加固楊強2010年9月27日水沙科學與水利水電工程國家重點實驗室清華大學水利水電工程系概述拱壩壩基穩(wěn)定和加固的非線性動力分析相對較少；拱壩動力穩(wěn)定分析方法很多方面沿襲靜力分析；變形加固理論（靜力）可有效確定拱壩整體安全度、最優(yōu)加固區(qū)域及加固力，已在溪洛渡、錦屏一級、小灣、白鶴灘、松塔、馬吉拱壩上得到應用；本研究探討將變形加固理論應用于拱壩壩基穩(wěn)定和加固的非線性動力分析；首先重點討論（靜力）抗滑穩(wěn)定和變形穩(wěn)定之間的區(qū)別。拱壩穩(wěn)定分析方法抗滑穩(wěn)定分析（規(guī)范設計方

2、法）剛體極限平衡法變形穩(wěn)定或整體穩(wěn)定分析三維非線性有限元地質力學模型試驗本報告重點討論變形穩(wěn)定的特點，并和剛體極限平衡法進行對比。變形穩(wěn)定特點整體性：以結構整體強度儲備或超載系數等整體安全度評價穩(wěn)定性加固性：加固（或支護）是評價變形穩(wěn)定的基本要素；過程性：破壞是一個過程而非一個狀態(tài)；問題根源：大量自由度結構體系加固特性：洞室變形穩(wěn)定（新奧法）洞壁位移u時間tu1t1坍塌支護力P最優(yōu)加固力最優(yōu)加固時機新奧法施工原理：適時支護洞室穩(wěn)定是典型的變形穩(wěn)定；新奧法施工原理說明：加固力和變形有關；加固力是變形穩(wěn)定的核心要

3、素！加固特性：高邊坡變形穩(wěn)定（黃潤秋）過程性：破壞是一個過程周維垣教授提出了拱壩地質力學模型的三個超載安全度控制指標K1（起裂）、K2（非線性變形）、K3（喪失承載力），進入了拱壩設計規(guī)范。破壞是一個過程，無法用單一安全度來評價！規(guī)范建議的整體穩(wěn)定安全度：問題根源：大量自由度結構體系按照隆德法，一個三維楔形體就有八種滑移模式。一個三維楔形體有3個自由度；雙滑塊和多滑塊穩(wěn)定性沒有的到很好解決。連續(xù)變形體有無限自由度（有限元簡化為有限自由度），存在大量破壞模式。TN剛體極限平衡法分析穩(wěn)定：滑動力=阻滑力阻滑力

4、N+cA極限穩(wěn)定：滑動力=阻滑力阻滑力=fN+cA失穩(wěn)：滑動力>阻滑力滑動力=阻滑力+加固力阻滑力=fN+cATNQ阻滑力最大化加固力最小化不平衡力內力＝自承力+加固力＝外荷載內力＝外荷載彈塑性應力調整示意圖不考慮屈服條件的平衡條件考慮屈服條件的平衡條件滑動力=阻滑力+加固力TNQ滑動力=阻滑力最小塑性余能原理對于給定的外荷載，在所有和其平衡的應力場中，結構真實應力場的塑性余能最小。塑性余能：不平衡力自承力+加固力＝外荷載塑性余能是不平衡力的標量范數；最小塑性余能原理要求不平衡力或加固力最小化；最小塑性余能原

5、理推論在外荷載給定條件下,通過變形調整自承力和加固力，彈塑性結構總是趨于自承力最大化，而加固力最小化的變形狀態(tài)。最小塑性余能原理推論：潘家錚最大最小原理；新奧法施工原理失穩(wěn)：滑動力>阻滑力滑動力=阻滑力+加固力阻滑力=fN+cATNQ阻滑力最大化加固力最小化穩(wěn)定性分析（整體、過程、加固）通過比對諸工程的超載安全度與塑性余能的關系曲線,可評價拱壩整體穩(wěn)定性。14理論框架概述核心目標地震作用下結構最有效的抗震加固力分布基礎理論變形加固穩(wěn)定理論的動力學自然延伸分析流程特點整體性—定量反映全時程結構整體地震抗力加固性

6、—獲得結構主導性的動力破壞模式，包括部位和形態(tài)過程性—體現結構動力破壞全過程三維非線性有限元時程分析塑性余能時程關鍵時刻不平衡力分布穩(wěn)定評價加固設計16不平衡力自承力+加固力＝外荷載+慣性力+阻尼力自承力＝外荷載+慣性力+阻尼力不考慮屈服條件的動力平衡考慮屈服條件的動力平衡塑性余能彈塑性應力調整示意圖理論框架概述-變形加固理論的動力學自然延伸17計算程序簡介—CTFine開發(fā)平臺：C++.NET2008，ActiveTCL85面向對象：類的定義和繼承清晰嚴密，通信完全基于虛基類，程序具有良好的封裝性和可擴充性

7、；標準化：數據結構完全采用STL范型，穩(wěn)定高效；可編程流式命令驅動：基于TCL腳本語言，程序由可編程流式命令驅動（類似于inp文件，FISH語言等），靈活性強；運算和存儲效率高：矩陣運算采用CBlas/CLapack數值計算庫，線性方程組采用SSORPCG求解，整體計算效率僅比Abaqus低3%~5%；系數矩陣存儲采用節(jié)點為中心動態(tài)指針記位存儲策略，內存開銷與模型自由度僅成線性關系；后處理功能完善：與后處理軟件Tecplot無縫連接，自動生成各種圖表以及動畫展現計算成果。18DomainNodeElement

8、EightNodeBrickMSC.PatranSixNodeWedgeMaterialDP_YangOff_FaultVP_Perzyna…RecorderNodeRangeElementRangeTecplot_DataNormalDecomposeTecplot360LoadPatternNodalForcePressureTemperatureBodyForceMotionPatternNo