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《高拱坝地震损伤破坏的数值模拟》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在工程资料-天天文库。
1、水利学报2008年7月SHUILIXUEBAO第39卷第7期文章编号:055929350(2008)0720848206高拱坝地震损伤破坏的数值模拟钟红,林皋,李建波,胡志强(大连理工大学海岸与近海工程国家重点实验室,辽宁大连116024)摘要:本文在假设混凝土宏观均质的基础上考虑细观不均匀性的影响,采用带残余强度的双折线损伤演化模型和带幂函数下降段的损伤演化模型,结合带拉伸截断的摩尔2库仑破坏准则,探讨了高拱坝在地震作用下的裂缝扩展和破坏形态。某即将兴建的拱坝的计算结果表明,混凝土大坝破坏主要由拉应力引起,开裂从坝顶中部开始,裂纹主要出现
2、在坝体上部,其余部位基本保持完好。计算结果得出的最终破坏形态与模型试验基本一致。关键词:细观不均匀性;地震损伤破坏;拱坝中图分类号:TV312文献标识码:A1研究背景我国有一批300m级的超高拱坝将在长江、黄河上游等西南、西北强地震区进行建设,大坝抗震安全成为需要解决的关键技术之一。混凝土拱坝的静动力分析传统上采用线弹性方法,对大坝的安全评价采用以混凝土单轴抗拉强度为标准的强度准则。分析结果往往有部分高应力区超过材料的抗拉强度,从而出现损伤或开裂。为了尽量准确地反映大坝的真实工作状况,必须采用非线性分析方法,考虑出现损伤或开裂后混凝土的行为
3、以及对大坝的整体抗力的影响,以便对大坝的抗震安全性作出科学的判断。混凝土为准脆性材料,对这类材料裂缝损伤发展的计算模型和数值计算方法目前还处于发展阶段。在有限元框架内的裂缝计算模型有分离式裂缝模型(discretecrackmodel)和弥散式裂纹模型(smearedcrackmodel)两类。分离式裂缝模型应用断裂力学概念来模拟混凝土中的离散裂缝,可获得裂缝的几何形态,适用于裂缝较少、主干裂缝发生和发展的部位和方向都比较明确且事先接近已知的情形。缺点是需要在裂尖重新剖分网格,计算复杂且计算量大,在大坝尤其是拱坝的动力分析中很少采用。弥散式
4、裂纹模型,包括Bazant的钝断裂带模型,应用连续介质力学理论,通过修改本构方程模拟混凝土的开裂行为。在反映裂缝引起的各向异性特性方面存在困难。有的作者近似地应用旋转裂缝模型来克服,但各方向裂缝耦合的根本性问题难以解决。此外,这种模型在分析过程中需要预测裂缝发展的部位,并且对网格的方向也十分敏感,需要在计算过程中不断调整网格拓扑,给大体积结构的数值分析带来相当大的难度。[1]有限元框架内的另一类裂缝计算模型是在连续介质损伤力学基础上建立的。这种模型采用材料劣化的途径来模拟微裂纹萌生、扩展、桥接、成核的平均效应。对于脆性材料承受拉应力的情形,
5、损伤被定义为刚度的退化。损伤力学模型在大体积混凝土结构动力分析中有较多应用。但这种模型只能模拟裂缝引起的结构损伤部位、损伤程度及其对结构力学性能的影响,而难以模拟裂缝引起的大坝损伤破坏模式及形态。这种模型同样存在各向异性损伤问题。特别对受到地震等循环荷载作用的裂缝开合过程收稿日期:2007208227基金项目:国家自然科学基金重点资助项目(90510018,50139010);中国博士后科学基金(20060390986)作者简介:钟红(1981-),女,博士,主要从事大坝抗震数值模拟研究。E2mail:zhonghongm@126.com—
6、848—的模拟缺乏有效的准则。开裂与塑性耦合也比较困难。对于预想的开裂区域,一般也需要加密网格。近年来上述模型应用于混凝土坝地震损伤破坏的数值分析有了比较大的发展,但比较多的文献仍[2]然偏重于二维重力坝的地震响应分析,对印度Koyna坝地震损伤断裂的模拟获得了较好的效果。在[3]三维拱坝方面比较有代表性的是Valliappan等应用弹性损伤模型研究了刚性地基上拱坝的地震损伤[4]范围,Lotfi等应用弥散性裂缝模型研究了刚性地基上拱坝的地震拉应力分布,估计了可能的开裂范围。计算中单元出现非正交裂缝后,对应力应变关系进行调整,同时引入界面单
7、元,可结合进行离散性[5]裂缝的耦合分析。我国陈健云等基于速率相关的损伤力学模型,研究了拱坝的地震响应与可能的损[6]伤区域,杜荣强等建立了反映多轴损伤破坏特性的各向异性弹塑性损伤模型进行拱坝地震响应分析。[7][8]崔玉柱等用刚体弹簧元研究了梅花拱坝的破坏机理,潘坚文等在拱坝的地震开裂分析中考虑了塑性耦合影响。潘文的特点是网格分得比较细,考虑了横缝张合的影响,研究了配筋对损伤开裂的影响,地基采用无质量地基模型。总的看来,三维拱坝的地震损伤分析受到研究者愈来愈广泛的重视,但由于问题的复杂性,大多引入了一些比较简化的假定。例如,多轴损伤开裂只
8、能近似考虑,弹塑性耦合中有的采用了理想塑性,有的采用了过度简化的塑性屈服面,对无限地基的影响一般都作了简化。因此,计算结果都存在有较大的局限性。上述计算一般只能估计拱坝的地震损伤
