高坝会议-杨强

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1、第一届全国高坝安全学术会议高拱坝—坝肩结构抗震稳定与加固杨强2010年9月27日水沙科学与水利水电工程国家重点实验室清华大学水利水电工程系概述拱坝坝基稳定和加固的非线性动力分析相对较少；拱坝动力稳定分析方法很多方面沿袭静力分析；变形加固理论（静力）可有效确定拱坝整体安全度、最优加固区域及加固力，已在溪洛渡、锦屏一级、小湾、白鹤滩、松塔、马吉拱坝上得到应用；本研究探讨将变形加固理论应用于拱坝坝基稳定和加固的非线性动力分析；首先重点讨论（静力）抗滑稳定和变形稳定之间的区别。拱坝稳定分析方法抗滑稳定分析（规范设计方

2、法）刚体极限平衡法变形稳定或整体稳定分析三维非线性有限元地质力学模型试验本报告重点讨论变形稳定的特点，并和刚体极限平衡法进行对比。变形稳定特点整体性：以结构整体强度储备或超载系数等整体安全度评价稳定性加固性：加固（或支护）是评价变形稳定的基本要素；过程性：破坏是一个过程而非一个状态；问题根源：大量自由度结构体系加固特性：洞室变形稳定（新奥法）洞壁位移u时间tu1t1坍塌支护力P最优加固力最优加固时机新奥法施工原理：适时支护洞室稳定是典型的变形稳定；新奥法施工原理说明：加固力和变形有关；加固力是变形稳定的核心要

3、素！加固特性：高边坡变形稳定（黄润秋）过程性：破坏是一个过程周维垣教授提出了拱坝地质力学模型的三个超载安全度控制指标K1（起裂）、K2（非线性变形）、K3（丧失承载力），进入了拱坝设计规范。破坏是一个过程，无法用单一安全度来评价！规范建议的整体稳定安全度：问题根源：大量自由度结构体系按照隆德法，一个三维楔形体就有八种滑移模式。一个三维楔形体有3个自由度；双滑块和多滑块稳定性没有的到很好解决。连续变形体有无限自由度（有限元简化为有限自由度），存在大量破坏模式。TN刚体极限平衡法分析稳定：滑动力=阻滑力阻滑力

4、N+cA极限稳定：滑动力=阻滑力阻滑力=fN+cA失稳：滑动力>阻滑力滑动力=阻滑力+加固力阻滑力=fN+cATNQ阻滑力最大化加固力最小化不平衡力内力＝自承力+加固力＝外荷载内力＝外荷载弹塑性应力调整示意图不考虑屈服条件的平衡条件考虑屈服条件的平衡条件滑动力=阻滑力+加固力TNQ滑动力=阻滑力最小塑性余能原理对于给定的外荷载，在所有和其平衡的应力场中，结构真实应力场的塑性余能最小。塑性余能：不平衡力自承力+加固力＝外荷载塑性余能是不平衡力的标量范数；最小塑性余能原理要求不平衡力或加固力最小化；最小塑性余能原

5、理推论在外荷载给定条件下,通过变形调整自承力和加固力，弹塑性结构总是趋于自承力最大化，而加固力最小化的变形状态。最小塑性余能原理推论：潘家铮最大最小原理；新奥法施工原理失稳：滑动力>阻滑力滑动力=阻滑力+加固力阻滑力=fN+cATNQ阻滑力最大化加固力最小化稳定性分析（整体、过程、加固）通过比对诸工程的超载安全度与塑性余能的关系曲线,可评价拱坝整体稳定性。14理论框架概述核心目标地震作用下结构最有效的抗震加固力分布基础理论变形加固稳定理论的动力学自然延伸分析流程特点整体性—定量反映全时程结构整体地震抗力加固性

6、—获得结构主导性的动力破坏模式，包括部位和形态过程性—体现结构动力破坏全过程三维非线性有限元时程分析塑性余能时程关键时刻不平衡力分布稳定评价加固设计16不平衡力自承力+加固力＝外荷载+惯性力+阻尼力自承力＝外荷载+惯性力+阻尼力不考虑屈服条件的动力平衡考虑屈服条件的动力平衡塑性余能弹塑性应力调整示意图理论框架概述-变形加固理论的动力学自然延伸17计算程序简介—CTFine开发平台：C++.NET2008，ActiveTCL85面向对象：类的定义和继承清晰严密，通信完全基于虚基类，程序具有良好的封装性和可扩充性

7、；标准化：数据结构完全采用STL范型，稳定高效；可编程流式命令驱动：基于TCL脚本语言，程序由可编程流式命令驱动（类似于inp文件，FISH语言等），灵活性强；运算和存储效率高：矩阵运算采用CBlas/CLapack数值计算库，线性方程组采用SSORPCG求解，整体计算效率仅比Abaqus低3%~5%；系数矩阵存储采用节点为中心动态指针记位存储策略，内存开销与模型自由度仅成线性关系；后处理功能完善：与后处理软件Tecplot无缝连接，自动生成各种图表以及动画展现计算成果。18DomainNodeElement

8、EightNodeBrickMSC.PatranSixNodeWedgeMaterialDP_YangOff_FaultVP_Perzyna…RecorderNodeRangeElementRangeTecplot_DataNormalDecomposeTecplot360LoadPatternNodalForcePressureTemperatureBodyForceMotionPatternNo