水荷载及地震作用下高混凝土坝开裂研究

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1、为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。水荷载及地震作用下高混凝土坝开裂研究　　【摘要】随着社会经济的发展，对能源的需求也在增加，开发水电能源已成为各国应对能源危机的主要措施之一。为适用中国水电能源的开发，一批高混凝土坝正在修建或即将修建，并且这些高混凝土坝多处于高烈度地震区，多在高水头下运行。高混凝土坝一旦失事对于经济发展与人民生命财产安全将会造成严重损害，因此研究高混凝土坝在高水头及地震动力作用下的安全稳定有重要的意义。本文以龙滩碾压混凝土坝为

2、例，考虑混凝土受拉软化效用，利用弥散裂缝模型，采用非线性有限元方法研究混凝土坝的开裂行为，计算了不同工况水位作用下坝体的静力开裂的可能性，采用容重超载法分析了坝体开裂区的发展规律。考虑库水-坝体的相互作用，用Koyna实测地震加速度值进行了坝体动力分析。得出地震动力作用下坝体的开裂范围和开裂的扩展规律，指出了坝体易开裂的部位，得出了若干结论，可为工程设计和加固提供一定的参考依据。　　【关键词】混凝土重力坝、龙滩高混凝土坝；开裂、水荷载、地震作用；超载；非线性有限元　　0.前言为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展

3、课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　由于国家能源需求的需要，近来来，随着西电东送和西部大开发的实施，中国的西南和西北正在修建和即将修建一批高混凝土坝。这些坝具有坝高大、地质条件复杂、运行水头高和处于强震高发区等特点，一旦失事，将对人民生命和财产造成严重损害。因此高混凝土坝的安全稳定越来越受到人们重视。为了充分发挥“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备的作用，我们不仅把

4、资源运用于课堂教学，还利用系统的特色栏目开展课外活动，对学生进行安全教育、健康教育、反邪教教育等丰富学生的课余文化生活。为了确保“教学点数字教育资源全覆盖”项目设备正常使用，我校做到安装、教师培训同步进行。设备安装到位后，中心校组织各学点管理人员统一到县教师进修学校进行培训，熟悉系统的使用和维护。　　混凝土是低抗拉性材料，开裂是混凝土结构的主要破坏形式之一。国内外很多学者在这方面做了大量工作。Kaplan最早将断裂力学用于混凝土开裂研究中，主要研究方法有理论分析、试验研究和数值分析等，其中数值分析方法中的有限元法适用于具有任意几何形状和边界条件的问题等优点，在混凝土开裂分析中也得到了

5、广泛应用。混凝土的本构关系和裂缝模型是应用有限元方法的关键技术。混凝土受拉达到强度极限后会出现随着应变的增大裂面正应力降低的现象，即应力软化段。对于混凝土受拉下降段，Hillerborg提出了单直线下降式，Peterson提出了分段下降式，Kang和Lin提出了多段下降式，江见鲸、Reinhardt提出了曲线下降段[i]。对于混凝土有限元分析中的裂缝模型，常用的有分离裂缝模型、弥散裂缝模型和特殊单元模型等。我国学者陈健云、林皋、李静[ii]对比材料线性、非线性对应力的影响，对300m级小湾高拱坝进行静动力开裂响应分析，结果表明，材料非线性的影响不可忽视；潘坚文，王进廷，张楚汉[iii

6、]根据混凝土受拉软化特性，基于混凝土塑性损伤模型，分析了大岗山双曲拱坝在超强地震荷载作用下的损伤开裂，并提出了可能的加固方案。　　中国著名的水电专家潘家铮断言“世界上没有无裂缝的水坝”。裂缝可以起因于设计、建设和运行的各个阶段；裂缝产生的原因有很多：坝体内部和外部的温度变化，地震作用，地基的不均匀沉降，凝结、硬化和使用寿命期的混凝土内部的化学反应等。目前已有许多混凝土坝因开裂造成破坏失效的例子：澳大利亚的泰姆瓦斯坝因夏季干枯无水、冬季遇冷收缩而开裂；奥地利的Kolnbrein双曲薄拱坝，坝体过薄，水库运行蓄水过程中，水压力作用下坝踵拉应力过大产生了贯穿性裂缝；印度的Koyna重力坝和

7、我国的新丰江大头坝和石冈坝以及美国的Pacoima拱坝都是典型的大坝地震损伤破坏例子。　　1.理论基础　　材料本构及屈服准则　　岩石、混凝土材料具有典型的非线性性质，对坝体和基岩采用各向同性的弹塑性模型进行分析。为了能准确反映不同材料的力学特性，坝体混凝土和基岩材料采用不同的屈服准则。坝体混凝土采用Buyukozuturk屈服准则[i]，其屈服面表达式为：　　f=βJ+yJ+3J-　　Buyukozuturk建议常数取：　　β=y=为了充分发挥“教学点数字