基于NGA模型的主余震序列作用下重力坝损伤破坏研究

传统的线弹性模型和弹塑性DP模型难以真实反映混凝土、岩石地基在遭遇超出其抗拉压强度时的损伤破坏规律。为更加全面地评估余震作用对已损重力坝结构的累积破坏影响,本文采用塑性损伤力学模型来模拟坝体的动力损伤,同时考虑岩石材料的非线性性质,将塑性损伤力学的方法推广到岩体材料,建立了大坝坝体与地基的整体损伤力学模型,实现了重力坝整体动态损伤演化全过程模拟。结合主震与强余震统计关系和NGA地震动衰减关系构造了主余震地震动序列,分别研究了单次主震、单次余震以及主震后余震对强震区混凝土重力坝坝体地基整体损伤演化的影响。研究结果表明:余震作用对坝基的塑性应变累积效应显著,对于主震受损的混凝土重力坝结构,余震作用能够引起结构较大的二次残余变形。     

近断层主余震考虑斜入射下的重力坝响应分析

一次大的地震中一般存在主震和余震,当震源距离地面较近时,近断层主余震序列通常以某一角度斜入射至地基,因此只考虑地震波垂直入射的情况是不适合的,有必要考虑地震波在多个角度下斜入射的情况。选取3条近断层实测主余震序列,推导地震动P波斜入射界面等效节点力公式,并验证其可行性;以Koyna大坝为研究对象,研究了单个主震和主余震序列2种工况下入射角在0°~90°之间时的大坝地震响应,以位移、损伤指数、损伤耗散能3个指标对震后坝体破坏进行了分析,建立了局部损伤指数量化分析损伤程度。研究表明：近断层单个主震和主余震2种工况入射角在15°~75°之间时,大坝地震响应均大于垂直入射情况;在多种性能指标下,主余震序列下的地震响应均大于单个主震。     

强地震作用下高拱坝的破坏分析

结合混凝土静动态试验,根据连续损伤力学中能量等效原理和有效应力概念,建立了能反映混凝土动态情况下多轴弹塑性损伤破坏模型,该模型考虑了多轴损伤变量和应变率的影响。采用本文模型对强地震作用下(峰值地震加速度为0.557 5g)大岗山拱坝动力响应进行了数值模拟,获得地震全过程拱坝拉损伤、压损伤、总体损伤模式和应变率响应。分析表明,大坝破损的主要原因是由于混凝土的拉伸作用,所得到的大坝破坏模式和模型试验结果一致;大坝不同部位有着明显不同的率响应,其将很大程度上影响坝体混凝土的动态性能。借助损伤力学理论评价了大坝强震后的安全性,结果显示大坝在经历强震作用后总体损伤不大,但坝体存在抗震薄弱部位,设计和施工中应注意采取措施处理。     

考虑强震持续时间的混凝土重力坝损伤累积研究

利用混凝土塑性损伤模型和塑性损伤力学的方法分析了混凝土重力坝在不同强震持续时间(强震持时)作用下的非线性损伤累积破坏效应,并根据大坝局部损伤评价指标和整体损伤评价指标对大坝损伤累积破坏程度进行了评价。分析结果表明:地震动强震持续时间对混凝土大坝损伤累积破坏有重要的影响,地震动强震持续时间越长,混凝土大坝损伤累积破坏越大;根据局部损伤评价指标可以有效地判定大坝抗震薄弱部位在大坝中上部,并且大坝整体损伤累积破坏指数可以反映地震动作用下大坝的整体损伤累积破坏程度,从而有效评价混凝土大坝的抗震性能,为混凝土大坝的抗震设计提供科学依据。     

高拱坝强地震作用下损伤破坏分析

结合混凝土静动态试验，根据连续损伤力学中能量等效原理和有效应力概念，建立了能反映混凝土动态情况下多轴弹塑性损伤破坏模型，破坏准则中考虑了多轴损伤变量和应变率的影响。用于有限元数值模拟，对强地震作用下（峰值地震加速度为0.5575g）某高拱坝动力响应进行了数值模拟，获得地震全过程拱坝拉损伤、压损伤、总体损伤模式和应变率响应；分析结果表明了大坝的破损趋势，同时可看出导致大坝破损的主要原因是混凝土的拉伸损伤；并且得到大坝不同部位有着明显不同的率响应，将很大程度上影响坝体混凝土不同程度的动态性能；结果显示大坝在经历强震作用后总体损伤不大，借助损伤力学评价大坝经历强震后的安全性较好，但坝体存在抗震薄弱部位，设计和施工中应注意采取措施处理；同时坝体地震破损发展过程表明了大坝的破坏趋势，和该拱坝模型试验的破损情况比较一致。本文工作可为类似体型拱坝动力灾变过程分析和判断提供参考。     

寒区既有重力坝二次震害研究

为探究寒区重力坝抵抗强余震的能力,根据实际情况,首先进行了冻融循环和紫外线辐照交替试验,根据试验结果建立数值模型;在此基础上,研究大坝在二次震害影响下应力及损伤分布情况。结果表明：混凝土劣化后,二次震害加深了高坝损伤,坝体下游折坡处的损伤程度明显;混凝土劣化和强余震双重作用,导致坝体上游死水位处在地震作用下会产生明显破坏,下游折坡处产生近乎贯穿坝顶的裂缝。该研究可为严寒地区既损混凝土坝的抗震评估和修复提供科学依据。     

主余震对边坡抗滑稳定性影响研究

目前在边坡的抗震稳定性分析中，大多仅考虑了主震对边坡稳定性的影响，而忽视了余震的作用。为更深入地了解主余震对边坡抗滑稳定性的影响规律，笔者以我国西南某水电站边坡为研究对象，假定该边坡为均质边坡，建立动力分析模型，基于强度折减法，以塑性应变能突变和塑性区贯通为失稳判据，对该边坡在单主震以及主余震作用下的抗滑稳定性进行了研究分析。结果表明：相比于单主震作用，主余震作用下边坡的塑性应变能更大以及塑性区更深；单主震及主余震作用下的边坡安全系数分别为1.35和1.32，说明仅考虑主震而忽视余震的作用会夸大边坡的安全裕度，在边坡抗震稳定性分析中应加以重视。     

水力劈裂对主震损伤混凝土重力坝的影响

大量地震记录显示,主震过后往往会跟随多次规模不一余震,其中伴随水力劈裂的高震级余震着具有很大的破坏性。文章以此为出发点,在ABAQUS有限元平台的支持下,以混凝土塑性损伤模型编辑材料,对经历主震损伤的某高混凝土重力坝再次加载余震,并且考虑因水力渗透出现的水力劈裂效应,以坝体混凝土受拉损伤为分析依据,探讨水力劈裂的影响。结果表明,经历主震的坝体受轻微损伤,相比余震的单独作用,考虑水力劈裂的余震具有更大的危害。     

强震作用下重力坝损伤机理研究

文章以华北平原某混凝土重力坝为例,采用混凝土塑性损伤模型(CDP),以坝顶相对位移及损伤耗散能为参数,对不同峰值地面加速度(PGA)水平以及1.9倍设计地震动强度下重力坝的损伤破坏形态进行数值模拟,对重力坝进行横向、纵向2个角度的损伤分析,研究混凝土重力坝的抗震破坏机理和损伤演化过程,为大坝抗震设计和抗震性能评估提供参考。     

寒区混凝土劣化对重力坝抗震性能影响研究

为探究寒区混凝土性能劣化对重力坝抗震性能的影响，通过混凝土材料冻融循环试验和数值模拟开展了重力坝动力响应分析，得到了大坝在地震激励时的应力、位移和破坏等情况，并通过损伤因子及其对应损伤区域面积提出了重力坝整体损伤累积面积公式。研究结果表明：强震作用时，坝体损伤最明显的部位为下游折坡处和坝踵，冻融循环对大坝整体损伤程度有显著影响，在下游折坡处的冻融区域内配置抗冻混凝土能提升大坝整体抗震性能。研究成果可供寒区混凝土重力坝的抗震设计参考。     

混凝土高坝强震震例分析和启迪

强震作用下的高坝抗震安全性广受关注。但迄今坝址的地震动输入却仍有较多不确定因素,且高坝的地震响应也相当复杂。对经受强震作用的高坝震害的现场详尽调查和深入分析研究,对改进现行抗震设计理念和推动高坝抗震安全的研究极为重要。本文对全球经受过Ⅷ度以上强震的百米以上混凝土高坝的震害实例进行了较详尽的分析研究,其中包括在中国发生的汶川大地震中对沙牌碾压混凝土拱坝和宝珠寺混凝土重力坝震害的初步调研分析,探讨了从这些震害实例中得到的启迪。     

考虑强震能量持时的混凝土重力坝损伤累积效应研究

地震动持时对大坝的损伤演化有显著影响,但目前在多向地震动持时方面的研究较少。为综合考虑多向地震动持时对重力坝累积损伤的影响,以某重力坝为研究对象,考虑混凝土的塑性损伤模型,分别考虑单一水平向、水平向和竖向两向地震动作用,采用综合能量持时公式研究综合能量持时对大坝损伤累积效应的影响,以及不同强度阈值范围的能量持时与大坝损伤指标之间的相关性。研究表明：能量持时对大坝的损伤破坏有显著影响,长持时的地震动会对大坝造成更严重的损伤破坏;竖向地震动作用会加剧大坝损伤破坏,进行大坝动力计算时应考虑地震动竖向分量的影响;15%~85%强度阈值范围的能量持时与损伤指标之间的相关性最优。研究成果可为大坝抗震设计提供参考。     

地震波斜入射下混凝土重力坝的塑性损伤响应分析

我国西南强震区建设有大量混凝土坝,复杂地形条件下地震波入射角度对混凝土坝动力响应影响较大,然而,目前相关研究以线弹性模型为主,在合理考虑坝体的真实破坏状态方面存在局限性。本文以Koyna混凝土重力坝为研究对象,建立三维非线性有限元分析模型,采用了基于黏弹性边界的地震波动输入方法,结合塑性损伤模型分别分析了地震P波和SV波斜入射下坝体的动力响应,并提出地震破坏评价模型对震后坝体损伤进行评估。研究表明,地震波入射角度及波型对坝体动力响应影响较大,P波入射下位移应力和损伤在60°时达到最大,SV波入射下在0°时达到最大,证明了考虑地震波入射角的必要性;采用塑性损伤本构结合损伤评价指标合理地反映了坝体破坏程度,并针对薄弱地区提出抗震设计改进。因此,在同类型工程的安全评价中应该综合考虑地震波斜入射和筑坝材料的非线性特征。     

廊道布置对混凝土重力坝冻融破坏特性影响研究

冻融破坏是混凝土重力坝常见耐久性问题之一.通过大坝渗流和温度仿真分析确定潜在冻融破坏区域,基于已有混凝土冻融损伤本构模型分析大坝的塑性损伤分布,以此评价廊道布设形式对重力坝冻融损伤特性的影响.分析结果表明:混凝土结构的抗冻特性不等同于其本体材料抗冻特性,合理增设廊道数量对混凝土重力坝抗冻耐久性有利,该研究成果能为严寒区...     

基于弥散裂缝模型的重力坝简化地震分析

基于弥散裂缝模型,将简化地震分析由常规的线弹性分析扩展到考虑材料损伤断裂行为的非线性模拟,借助弧长法对完整变形破坏过程进行求解。在数值模拟分析中,分别采用动力时程和地震简化分析两种方法对Koyna坝进行研究,结果表明,两种方法的线弹性分析所得最大主应力分布形式基本一致,并且非线性分析中,地震简化分析方法模拟得到的坝体开裂与动力时程分析结果也基本相同,说明基于弥散裂缝模型的地震简化分析可以较好地预测坝体的地震开裂响应。分析中给出的地震荷载系-坝顶位移关系曲线,包括上升段和下降段,反映了弧长法能够模拟地震荷载与位移的完整关系曲线。曲线峰值点给出了Koyna坝最大地震承载力分别为0.55g(向上游)、0.60g(向下游)。从而为判断坝体达到地震承载极限状态提供了明确的依据。     

水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的破坏效应

在相同炸药量下水下爆炸对混凝土重力坝的破坏效应强于空中爆炸,因此需重点关注水下爆炸冲击下的混凝土重力坝的毁伤机理。考虑爆炸作用下混凝土的高应变率效应、冲击波与结构的动态相互作用以及结构的非线性动态响应等复杂问题,基于Lagrangian-Eulerian全耦合方法建立水下爆炸混凝土重力坝耦合模型,对近坝水下爆炸冲击波传播特性进行分析,得到了水下爆炸冲击下混凝土重力坝的毁伤破坏过程及毁伤机理。研究表明,水下爆炸冲击荷载作用下混凝土重力坝的毁伤模式主要有爆炸成坑破坏、气穴冲切破坏、震塌拉伸破坏、冲击波冲切破坏、弯曲破坏和整体拉伸破坏。     

某重力坝考虑混凝土拉压损伤的地震响应分析

本文结合某实际重力坝工程,采用有限元软件ABAQUS的混凝土材料塑性损伤本构模型模拟了其混凝土材料在地震荷载作用下拉压损伤、拉压转换的全过程,并通过地震超载的方式使混凝土重力坝逐步达到极限状态,探讨了混凝土重力坝拉压损伤演化过程和变化趋势。通过与仅考虑混凝土受拉损伤在不同地震超载系数下的计算结果对比,还考虑混凝土受压损伤对重力坝强震破坏过程和极限抗震能力分析的影响。研究结果表明,同时考虑拉压损伤和只考虑拉损伤的极限抗震能力相同,且重力坝的强震损伤极限状态主要是由受拉损伤控制,同时在多轴应力状态下,拉压损伤有可能在同一部位同时出现。     

混凝土动态弹性模量对重力坝地震反应的影响分析

现行水工抗震规范中规定,大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高30%。这一规定体现的是混凝土瞬时模量与持续模量的差异,而非加载速率的影响。根据国内相关混凝土坝设计规范,持续模量约为瞬时模量的0.67倍,亦即瞬时模量可较持续模量提高50%。本文结合不同高度的重力坝,从大坝自振特性、动位移、动应力及静动综合应力诸方面进行比较分析,论证两种动态弹性模量取值的影响。结果表明:坝体动态弹性模量提高率从30%增至50%后,对重力坝动力特性及地震反应的影响很小。     

混凝土坝坝体配筋抗震措施研究

已有研究表明,对混凝土坝抗震采用线弹性分析得到的最大拉应力远大于混凝土的抗 拉强度,在强震作用下,坝体将不可避免地产生开裂。本文以拉压应力损伤因子为内变量,采用混凝土塑性损伤模型,分析了坝体在地震荷载作用下的刚度退化以及在多维应力状态下拉应力引起的损伤破坏。在抗震措施方面,文中研究了塑性损伤模型的配筋模拟,并针对印度Koyna坝的震害情况,根据配筋前的塑性损伤分析,设置了两种不同的配筋方案,据此进行了塑性损伤动力分析,给出了配筋前后坝体的拉应力损伤因子分布及坝顶动位移响应。通过计算比较了配筋前后坝体的拉应力损伤因子分布范围及坝顶动位移响应,结果说明,配筋抗震措施能够明显地减小坝体损伤区的范围,显著限制坝体损伤区的扩展与贯穿,有效地改善了坝体的抗震性能。     

重力坝坝体开孔对大坝抗震性能的影响

重力坝实际震损多出现在坝体中上部,坝身孔洞也常布置于此,地震作用下坝头孔洞附近成为抗震安全的薄弱部位。以某待建水电站碾压混凝土重力坝厂房坝段为例,基于ADINA有限元软件建立考虑坝体-地基-库水相互作用的三维有限元动力计算模型,研究了在强震作用下考虑大坝开孔与否对坝体自振特性、坝体位移、主拉应力和裂缝开展情况的影响。结果表明,考虑坝体开孔对大坝整体刚度影响不大,但对局部应力影响显著,抗震设计须重视坝体实际开孔情况,采取加强配筋和提高混凝土标号等措施。研究成果可为同类工程抗震设计提供参考。