高拱坝关键区域局部破损分析

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1、高拱坝关键区域局部破损分析(申请清华大学工学博士学位论文)培养单位：水利水电工程系学科：水利工程研究生：常强指导教师：杨强教授二○一五年五月LocalFailureModeAnalysisfortheKeyAreaofHighArchDamDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementfortheprofessionaldegreeofDoctorofEngineeringbyChangQiangDissertationSupervisor:ProfessorYangQian

2、gMay,2015摘要摘要高拱坝作为一种复杂的混凝土结构，坝踵、坝趾及基础内断层错动带均为可能发生破坏的区域，且多个破坏区域可能同时存在。结构发生失稳是一种由局部破坏到整体失稳的行为。此问题涉及两个方面，即如何确定发生局部破坏的位置以及局部破坏是以何种方式发展的。本文的主要的研究成果如下：（1）提出一种对高拱坝关键区域的破坏模式分析的方法。此方法将变形加固理论和子模型方法联合运用。首先运用变形加固理论确定影响高拱坝稳定的关键区域，在对这些关键区域划分子模型，进行局部破损模式的精细分析，并将这种分析方法运用到白鹤滩高拱坝的数值模型模拟中。对白鹤滩拱坝进行了整体稳定分析、坝踵区不平衡力

3、分析以及基岩内断层的稳定性分析，在此基础上确定拱坝坝踵以及基础的可能破坏位置，对坝踵及基岩断层划分子模型，进行精细的破坏模式的讨论。（2）发展了基于格构模型和有限元耦合的裂纹开裂模拟方法。可以将有限元网格自动转化为格构模型，这样即利用了有限元在常规计算中的高效性，也利用了格构模型在处理开裂区域的方便性。在初始计算模型中可以不对开裂区域进行特殊指定，开裂部分为有限元计算应力超过材料的抗拉强度的区域，将此区域转化为格构模型并作相应的处理即可模拟结构的开裂和裂纹扩展。同时，将此方法用于模拟多裂隙体的等效弹性模量。（3）进行了锚索对边坡体的锚固效果的分析。将锚索的锚固效果分为预应力和抗变形

4、能力两部分，将预应力转化为锚固区域的平均预压力施加在边坡体上，抗变形能力则是通过将锚索（杆）刚度加入整体刚度矩阵得以实现。对一边坡模型做降强计算，得到其塑性余能、不平衡力以及边坡表面变形随超载倍数的变化。比较后得到，塑性余能对边坡是否加锚反应很敏感，其次是不平衡力，而边坡表面变形对边坡是否加锚反应不敏感。（4）在以内变量描述的热力学基础上对弹塑性材料临界点的稳定性进行了讨论，材料在临界点附近的行为仅与材料本身的自由能函数的几何结构有关。同时，在热力学基础上对Drucker公设和Ilyushin公设进行了讨论，得出热力学定义中的两个公设的统一表达。关键词：变形加固理论；子模型；格构模

5、型方法；锚固效果分析；材料临界点稳定性IAbstractAbstractHigharchdamisakindofcomplexconcretestructure.Damheel，damtoeandthefaultbeltinthefoundationofthedamareallthepossiblefailureregions,andapluralityoffailurezonemayexistatthesametime.Failurebehaviorofastructurealwaysstartsfromthelocaldamage,andgrowtotheoverallbuck

6、ling.Thisprobleminvolvestwoaspects,howtodeterminetheoccurrenceoflocaldamagelocationandhowthelocaldamagedevelops.Themainresearchresultsofthispaperareasfollows：（1）Presentsanfailuremodeanalysismethodforthekeyareasofhigharchdam.Inthismethod,thedeformationreinforcementtheoryisused,combinedwithsubmo

7、delmethod.Firstofall,thedeformationreinforcementisusedtodeterminethekeyareasofhigharchdam.Thenhesekeyregionismodeledbyafinemesh,toanalyzethefailuremodeofthisarea.ThisanalysismethodisappliedtothenumericalmodelforthesimulationofBaihetanar