基于扩展有限元法的混凝土重力坝裂纹扩展研究

针对混凝土重力坝裂纹开裂扩展问题,基于扩展有限元(XFEM)理论,以Koyna大坝为例,分别建立基于附加质量法和无质量地基法的传统抗震分析模型和基于流固耦合法和粘弹性边界法的新型抗震分析模型,并针对两种模型进行线性时程分析和非线性裂纹扩展模拟分析。结果表明,以流固耦合法和粘弹性边界法建立的坝体-地基-库水抗震分析模型的动力峰值响应整体减小了约30%;传统模型的裂缝张开位移有一定程度的夸大,基于流固耦合法和粘弹性边界法建立的坝体-地基-库水抗震分析模型的裂纹扩展路径与实际振动台试验结果更接近。     

不同初始孔隙水压力下混凝土动态力学特性

为研究不同初始孔隙水压力下混凝土动态力学特性, 利用10 MN大型多功能液压伺服静动力三轴仪进行不同初始孔隙水压与不同加载速率下的混凝土常三轴试验。结果表明:不同围压下, 混凝土内部孔隙水压的变化规律可分为迅速变化、缓慢变化和趋于稳定3个阶段。不同应变速率下, 混凝土峰值应力随初始孔隙水压的增大逐渐增大, 高应变速率提高了初始孔隙水压力对混凝土峰值应力的影响; 初始孔隙水压力在较大程度上提高了混凝土峰值应力的率敏感性。不同初始孔隙水压力下, 混凝土峰值应力随应变速率的提高逐渐增加。依据试验数据, 基于Weibull统计理论模型构建了混凝土水环境下的经验率型本构方程, 对不同初始孔隙水压下混凝土常三轴动态压缩应力-应变曲线进行描述, 拟合效果良好。这证明所建模型可用来描述不同工况下混凝土应力-应变全曲线及损伤变化规律。     

有压水环境下循环荷载历史对饱和混凝土动态力学特性的影响

为研究有压水环境中循环荷载历史对混凝土动态力学性能的影响,对历经不同荷载循环次数（0、25、50、100次）的水饱和混凝土试件（在2 MPa围压水环境中）进行了不同应变速率（10^-5、10^-4、10^-3、10^-2/s）下的常规三轴静动态压缩试验,分析了混凝土材料的峰值应力、峰值应变、弹性模量、吸能能力等基本力学参数的变化规律和机理。结果表明：同一加载速率下,水饱和混凝土的峰值应力、弹性模量和吸能能力均随循环次数的增长呈现出先增大后减小的规律,并且峰值应力和吸能能力增减的转折点随着应变速率的提高而向荷载循环次数增大的方向平移,峰值应变整体上呈减小的趋势;相同荷载循环次数后,峰值应力、峰值应变和吸能能力随着加载速率的增大而逐渐增大,并且荷载循环次数越大,率效应越显著,弹性模量随着加载速率的增大而逐渐较小。     

冻融劣化混凝土的单轴动态力学特性研究

为研究不同冻融循环次数、不同加载速率下的混凝土的力学性能,对混凝土进行不同冻融循环次数(0次、10次、25次、35次、50次)不同加载速率(10~(-5)s、5×10~(-5)s、10~(-4)s、5×10~(-4)s、10~(-3)s)下的循环加卸载压缩试验。研究结果表明:(1)混凝土的质量随着冻融循环次数的增加而先增大后减小,呈二次曲线关系;(2)混凝土的峰值应力与应变速率的对数呈线性增长的关系,峰值应力及其对应变速率的敏感性随着冻融循环次数的增加而减小;(3)峰值应变随着加载速率的增加而增大,随着冻融循环次数的增加,峰值应变明显增大;(4)选用峰前服从Weibull统计分布函数,峰后服从Lognormal统计分布函数的混凝土动态损伤本构模型。     

不同侧应力状态下混凝土循环加卸载损伤特性

采用大型多功能液压伺服静动力三轴仪对不同单向恒定侧压下的混凝土进行应变速率为10-4s-1的等应变增量循环加卸载试验,恒定侧压为单轴静态抗压强度的0%,5%,10%。研究了不同侧应力水平下应力-应变全曲线中滞回环的变化规律,分析滞回环与耗散能的关系,并构建损伤估计模型,最后基于耗散能统计,研究混凝土的损伤特性。得出主要结论如下:(1)全曲线中滞回环在卸载初始阶段应力下降较快而变形恢复很慢,但随着应力的逐渐下降,应变恢复才开始加快;(2)在循环次数相同时,耗散能随着侧应力的增加而增加,且增加幅度明显,表明单位耗散能具有明显的侧应力敏感性;(3)建立的双参数损伤估计模型,能够很好地拟合循环加卸载损伤与累积残余应变的关系;(4)随着侧压比的提高,混凝土损伤发展速度逐渐减慢,损伤累积的路径大幅延长。     

基于增量动力分析的混凝土重力坝抗震性能分析

基于性能的抗震设计理念, 利用增量动力分析法(IDA)结合所建立的混凝土重力坝模型, 根据分位分析结果评估重力坝抗震性能。以Koyna重力坝为例, 分别建立以无质量地基法和附加质量法的传统模型和以黏弹性边界法和流固耦合法建立的坝体-地基-库水相互作用抗震分析模型。选取16条地震记录作为输入, 选取地面峰值加速度作为地震强度指标、坝顶相对位移作为结构性能指标, 以此为基础作IDA曲线。将两种模型分位分析结果进行对比, 结果表明:针对不同保证率的地面峰值加速度(PGA), 新模型总体安全冗余度高于传统模型10%~20%, 以传统方法建立的抗震分析模型的计算结果偏于保守, Koyna大坝的极限抗震能力约为0.45g, 其功能保障水平约为0.34g; IDA方法也将为今后大坝抗震设计提供一种新的思路。     

有压水环境下循环荷载历史对饱和混凝土动态力学特性的影响

为研究有压水环境中循环荷载历史对混凝土动态力学性能的影响,对历经不同荷载循环次数(0、25、50、100次)的水饱和混凝土试件(在2 MPa围压水环境中)进行了不同应变速率(10-5、10-4、10-3、10-2/s)下的常规三轴静动态压缩试验,分析了混凝土材料的峰值应力、峰值应变、弹性模量、吸能能力等基本力学参数的变化规律和机理。结果表明:同一加载速率下,水饱和混凝土的峰值应力、弹性模量和吸能能力均随循环次数的增长呈现出先增大后减小的规律,并且峰值应力和吸能能力增减的转折点随着应变速率的提高而向荷载循环次数增大的方向平移,峰值应变整体上呈减小的趋势;相同荷载循环次数后,峰值应力、峰值应变和吸能能力随着加载速率的增大而逐渐增大,并且荷载循环次数越大,率效应越显著,弹性模量随着加载速率的增大而逐渐较小。