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1、沙牌碾压混凝土拱坝损伤开裂分析第4l卷第2期20O1年3月大连理工大学JournalofDalJanUniversityofTechnologyVo1.41.No2Mar2001文章编号;1000-8608(2001)02—0244—05沙牌碾压混凝土拱坝损伤开裂分析黄迭海,高政国,宋玉普.(1.清华学水利水电工程系.北京100084;2.大连理工大学土木建筑学院,辽宁大连116024)摘要:碾压混凝土拱坝的提度裂整与一般混凝土坝的温度裂整有本质区别.为了有救控制颤体开裂,要求分缝设计与应力场仿真分析密切结音目
2、此进行了沙牌碾压混凝土拱颤三维非线性直力场曲奎过程仿真舟析,在此基础上对拱垣在不同舟整情况下的损伤开裂行为进行了研究.计算中考虑了涅度荷载,自重,静水压力,混凝土镣变和自生体积变形等情况.通过计算分析得出了妒牌碾压混凝土拱埙的开裂规律,为涉牌碾压混凝土拱坝的分缝设计提供了依据.关键词:拱坝/碾压混凝土;徐变应力{诱导缝中图分类号:TV642.2文献标识码A0引言碾压混凝土拱坝的温度裂缝与一般混凝土坝中经常发生的表面温度裂缝相比,在性质上有很太不同.表现在;(1)大部分温度荷载来自施工期的温升和温度回落[,温度拉
3、应力遍及整个坝厚.裂缝深度远太子一般混凝土坝因内外温差引起的表面裂缝.(2)温度应力主要是由两岸岩基约束所引起的结构性应力,裂缝多发生在晟关键的拱籍和拱端的高应力区.(3)裂缝面太多垂直于水平拱的传力方向,对拱向受力结构有较大影响.大量实测数据表明,当后期内部降温引起拉应力或外部升温拉应力区转向内部时都将f起表面裂缝向内部发展而贯穿坝体.若不对裂缝进行有效控制,可能对拱坝的整体稳定性造成严重后果,危及到坝体安全.选择适合碾压混凝土拱坝结构的构造分缝设计进行裂缝的有效控制,对碾压混凝土拱坝设计尤其关键.碾压混凝土
4、拱坝的诱导缝设计主要解决二个问题:第一是缝断面的形式和构造问题;目的是降低缝面的强度,以确保诱导缝能按预期要求及时开裂.第二是诱导缝布置问题;选择合理的位置,让诱导缝能按预期要求拉开.横缝是除诱导缝之外的又一种可行选择但传统的横缝施工方法不利于碾压混凝土的通仓碾压,所以横缝的数目不宜过多,位置最好限制在中上部.碾压混凝土拱坝诱导缝与横缝的设计问题与拱坝的仿真计算密不可分,只有计算出不同时期坝体上的荷载效应,掌握了坝体及诱导缝的开裂特性,才能设计出合理的分缝方案,保障大坝的安全.本文应用三维非线性有限元分析方法对
5、沙牌碾压混凝土拱坝进行了垒过程温度应力仿真计算分析,对坝体不同结构分缝方案在旃工及运行期的损伤开裂行为进行了分析.1三维非线性有限元徐变应力方程的隐式解法仿真分析的一个核心问题就是要研究温度历史,应力历史对大坝蓄水后的应力状况与变形状况的影响.在馄凝土的应力历史中,馄凝土徐变应力极为重要.目前,工程上普遍采用韧应变法求解徐变应力增量.由于{昆凝土温度变化,{昆凝土自身体积变形等引起的应力增量也可用初应变法求解,所以,这三者可以用统一的有限元格式表达.在求解弹性徐变应力方法中,以文献[2]提出的"混凝土结构徐变应
6、力分析的踌式解法"最为成熟和实用.有限元基本方程为收璃日期:2000-07?03
7、恬回日期-2001?Ol?06作者简介:黄选海(]964?),男,础教授,太连理工大学]996级博士生l宋玉昔(1944-),男,教授,博士生导师第2期黄达海等:沙牌碾压混凝土拱坝损伤开裂分析KA6.=△P+△+aPT+Ap:(1)式中:K=fB~口dV,为结构的刚度矩阵;Ap为外荷载增量;△P==』口_^dV,为徐变产生的当量荷载增量;△=』口△V,为温度荷载增量,由温度场仿真程序算得;=△dV,为自生体积变形产生的当量荷载增量
8、,西=/[,+Qc(f,rD].为本构矩阵.考虑材料在受荷后的正交异性损伤特性,有=RTE(D)月(2)式中:R为局部坐标与整体坐标之间的转换矩阵;.(D)为在主坐标系内的损伤本构矩阵,f(十2G)(1一D)(1一D.)(1一D?)^(1一D】)(1一D3)1E(D)一J^(1一D】)(1一D)(^一2G)(1一D2)^(1一D2)(1一D3)l(3)【^(1～Dt)(1一D)^(1一D2)(1一D3)(^+2G)(1一Ds)』这里为拉梅系数,^一E(t)/(1+)(1—2z);G为剪切模量,G—E(f)/Z(
9、1+),E()为材料的弹性模量,是时间的函数,为泊松比;D,(=1,2,3,4)为主应力方向的损伤度.由碾压混凝土材料的损伤演化特性,选用Ma~rs损伤演化模型.2算例2.1基本资料沙牌碾压混凝土拱坝是目前世界上在建中最高的碾压混凝土拱坝.拱坝形体设计采用三心圆单曲拱坝.坝顶高程1867.5m,最大坝高132.0m,顶拱中心线弧长250.25m.正常蓄水水位为1866.0m,死水位为1
