强震作用下高拱坝损伤开裂研究

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1、第30卷第6期水力发电学报Vol．30No．62011年12月JOURNALOFHYDROELECTRICENGINEERINGDec．，2011强震作用下高拱坝损伤开裂研究程恒，张燎军(河海大学水利水电学院，南京210098)摘要:本文基于混凝土的力学特性，建立能够反映混凝土动态情况的多轴损伤开裂模型。以等效三维一致粘弹性边界反映远域地基辐射阻尼效应，采用Mohr-Coulomb材料模型模拟坝基裂隙岩体在地震作用下的力学行为，运用非线性地震波动分析方法研究国内某拱坝在强震作用下的损伤开裂过程。通过对大坝的损伤程度以及坝体上

2、、下游面的最大拉应力进行分析，给出大坝的抗震薄弱部位，并对其抗震安全性进行了评价。研究揭示拱坝动力损伤灾变机理，为高拱坝抗震安全评价提供一种分析途径。关键词:水工结构;损伤;开裂;拱坝;强震;非线性中图分类号:TV312文献标识号码:AStudyofdamageandcrackinginhigharchdamsubjectedtostrongearthquakeCHENGHeng，ZHANGLiaojun(CollegeofWaterConservancyandHydropower，HohaiUniversity，Nanji

3、ng210098)Abstract:Amulti-axialdamageandcrackingmodelisdevelopedtomodelthedynamicpropertiesofconcretematerials．Inthismodel，Mohr-Coulombmodelisusedtosimulatethedynamicbehaviorsofdamfoundationrockmassunderearthquake，withtheeffectoffar-domainradiationdampingmodeledbya3

4、Dconsistentequivalentviscous-springboundary．Thismodelisappliedtoanarchdamsubjectedtostrongearthquake，anditsdamageandcrackingprocessarestudiedwithamethodofnonlinearseismicwavemotionanalysis．Throughananalysisondamageextentandmaximumtensilestressonitsupstreamanddownst

5、reamsurfaces，aseismicsafetyofthedamisevaluated，andtheweakpartsofthedamintermsofaseismicbehaviorsaredetermined．Thisstudyrevealsamechanismofdynamicdamageandcatastrophe，andwouldprovideananalyticalapproachtoaseismicsafetyanalysisofhigharchdam．Keywords:hydraulicstructur

6、e;damage;cracking;archdam;strongearthquake;nonlinearity0引言目前，我国在水能资源集中的西部正修建一系列300m级的高坝，其中以拱坝居多。然而，西部又是我国主要的地震区，地震发生的强度和频度都相当高，高坝大库一旦发生地震灾变将对下游地区造成严重的次生灾害。［1］因此，高坝大库在重大地震灾害中的抗震安全成为需要高度关注和亟待解决的关键技术性难题。混凝土作为一种准脆性复合材料，内部存在大量随机分布的微孔洞与微裂纹，损伤敏感性是其重要的力学属性。在外部荷载作用下，混凝土的破坏过

7、程实际是内部随机分布的微裂纹不断扩展、汇合、最后形成宏观裂缝，从而导致材料强度、刚度等性能的劣化甚至失效破坏的过程。因此，采用损伤力学模型描述混凝土材料的非线性行为是较为合理的。考虑到塑性力学在处理不可恢复变形的先天优越性，国内外不少学者建立了基于损伤力学和［2～7］塑性力学的耦合模型，并对混凝土大坝在地震作用下的损伤开裂进行研究，取得了一些有益的成果。但是，混凝土材料的内部损伤不同于塑性力学基于的晶格滑移和变形，而且损伤与塑性耦合会导致模型复杂，求解困难。实际上拱坝岩基存在一定随机分布的裂隙，由于岩体裂隙的抗拉能力很差，在

8、地震作用下岩体裂隙可能会出收稿日期:2011-09-01作者简介:程恒(1982－)，男，博士研究生．E-mail:chengheng1020@sina．com144水力发电学报2011年现反复张合，从而对拱坝的地震响应产生影响。这种认识可以从1971年帕柯依玛拱坝经受地震后的震后勘察中［