拱坝人工导缝止裂机制基础研究

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1、拱坝人工导缝止裂机制基础研究(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：钟建文指导教师：王恩志教授二○一五年四月1ResearchofcrackarrestmechanismofartificialjointsinarchdamsDissertationSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofDoctorofPhilosophyinHydraulicEng

2、ineeringbyZhongJianwenDissertationSupervisor:ProfessorWangEnzhiApril,20153摘要摘要拱坝因具有众多优点而在水利工程中得到广泛应用，同时其坝体混凝土开裂也成为一个常见和需要慎重解决的问题。为减少拱坝开裂所造成安全问题，在拱坝设计中引入人工导缝结构，增加拱坝自由度以适应复杂的应力条件，尽可能减少拱坝因荷载、结构设计等问题产生不利于大坝安全的裂纹，同时为避免在复杂荷载作用下，人工导缝缝端继续开裂，研究如何在人工导缝缝端设置止裂措施是十分重要

3、基础性工作。本文基于损伤-断裂基础理论和物理模型试验，针对人工导缝结构止裂机理进行基础性研究，论文主要研究工作和成果有：1.基于材料力学解析法和数值分析法，研究带缺口直梁损伤-断裂破坏特性，对比有、无型钢止裂以及不同型钢尺度等多工况下，分析型钢在纯弯构件中发挥增强作用机理，尤其建立混凝土与型钢之间弱面粘结滑移关系，基于试验数据，说明采用交界面力学模型的科学性。分析表明，型钢与混凝土之间粘接强度直接影响直梁承载力，而完整直梁比带型钢增强的缺口直梁承载力要高。2.开展大尺度带缺口拱梁物理模型试验，研究型钢止裂

4、在拱梁构件中发挥增强作用基础性原理。对比分析中间缝工况和三分点缝工况，探究人工导缝缝端裂纹萌生、发展演进过程以及裂纹分布规律。研究不同设缝位置以及型钢尺度对拱梁承载力贡献。试验说明型钢对带缺口拱梁的增加作用有限。3.基于拱梁试验和数值模型研究对比，研究型钢止裂力学行为过程并分析型钢在裂纹萌生、发展直至拱梁断裂破坏过程中所发挥的增强机理。对比分析发现型钢在拱梁与直梁中止裂机制不尽相同。表现为人工导缝的位置、数量以及型钢几何尺度对两种构件的力学行为各异。型钢对拱梁的承载力增强作用比直梁弱，但仍然保持对拱梁缝端

5、局部增强作用特性。4.基于石门子碾压混凝土拱坝十多年运行观测资料，整理并分析人工导缝结构在石门子拱坝中止裂贡献以及对软基坝址的适应性。利用改进有限元温度与应力耦合仿真数值模型以及损伤-断裂数值模型进行对比分析，研究人工导缝结构对拱坝刚度影响以及基岩变形协调性。研究表明，采用人工导缝结构能有效降低拱冠梁局部拉应力并形成有效二次应力拱结构，降低大坝开裂的风险。关键词：高拱坝；人工导缝；止裂；损伤-断裂；有限元IAbstractAbstractArchdamshavebeenwidelyappliedinthe

6、hydraulicengineeringduetotheirmanyadvantages.Theproblemthatcracksoccurintheconcretedambodybecomescommonandshouldbehandledwithcare.Oneofthestructuralmeasuresinthearchdamdesignistoassignartificialguidingjointstofreethecomplexstressandtoreducecrackscausedbyw

7、aterloadandtemperaturestress,orthestructuraldesignwithsomemistakes.Measuresshouldbealsotakentopreventthejointsfrompropagatingindepthundercomplexloadcombinations.Sotheresearchonthecrackarrestingmechanismsatthetipoftheartificialguidejointisoftheoreticalandp

8、racticalinterest.Basedonthenonlinearfracturemechanicsandmodeltests,thedissertationmakesafundamentalstudyonthecrackmechanismsofarchdam.Themaincontentsandresultsoftheresearchcanbestatedasfollows.1.Aanalyticalmethodofm