材料非线性对坝体-地基体系地震响应的影响

传统的线弹性模型不能描述混凝土、岩石在遭遇超出其抗拉、抗压强度的外荷载作用时所表现的非线性性能以及应力重分布现象。本文综合考虑动水压力、地基辐射阻尼效应、横缝开合等影响因素,坝体-地基体系分别采用混凝土损伤塑性模型、D-P弹塑性模型,以白鹤滩高拱坝为例研究混凝土、基岩材料非线性对坝体-地基体系非线性地震响应的影响。计算结果表明:在设计地震作用下,计入混凝土材料非线性影响后,由混凝土线弹性模型计算得到的坝基交界面上的局部高应力区消失,该区域局部范围内混凝土出现拉伸损伤,坝体其余部位混凝土未发生损伤;同时考虑坝基岩体材料非线性后,坝基交界面附近地基出现一定范围的塑性区域,对地震波能量起到一定的耗散作用,坝基交界面附近坝体拉伸损伤程度明显减轻。     

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。     

混凝土拱坝线性开裂随机分析与非线性强度分析

将拱坝坝体与地基当作一个藉连的体系，建立三维线弹性与非线弹性力学模型，引入随机变量，对该模型进行随机分析。结合某双曲混凝土拱坝的算例，给出了拱坝开裂单元的位置和开裂顺序，指出单元进一步开裂的可能性很小，坝踵处4单元开裂后，将使坝体应力状态得到改善，故在坝踵部位设置底缝等工程措施十分必要。算例还表明，在对拱坝进行应力分析时，可用线弹性开裂分析的应力结果代替非线弹性的分析。     

基于不同本构模型的拱坝地震响应分析

基于线弹性本构、D-P本构和ABAQUS中的损伤塑性本构,对某拱坝进行动力响应对比分析。结果表明:在正常蓄水位下,采用损伤塑性本构时坝体的顺河向位移峰值最大、D-P本构次之、线弹性本构最小,且采用损伤塑性本构时坝体的顺河向位移响应最大值有滞后现象;采用损伤塑性本构坝体的应力峰值较其他两种本构坝体的应力峰值小,考虑材料的非线性后,应力值较线弹性本构和D-P本构更符合材料的实际承载能力;上游面的坝踵部位和下游面的两侧坝肩部位出现了不同程度的损伤,应加强这些部位的安全防护。     

阶梯地形下坝-库水-地基非线性相互作用的动力模型与多因素耦合模拟

为了更精细模拟阶梯地形坝址的混凝土坝在考虑材料非线性、库底吸收等多因素耦合下的地震响应,需要发展适用的坝-库水-地基非线性相互作用动力模型,其中合理的地震动输入是面临的首要问题之一。本文根据波场分离原理和坡面应力自由条件,提出了求解阶梯地形地基自由场的计算方法和该场地条件下坝-基体系的地震动输入方法,可较为准确地反映阶梯地形对坝体动力响应的影响。通过构建坝-库水-阶梯地形地基全域分析模型,可全面考虑坝-库水、坝-复杂场址动力相互作用以及坝体混凝土、近场基岩的非线性力学特性,从而提高了重力坝整体抗震安全评价的合理性。通过场地反应分析和波动散射分析的数值算例,验证了输入方法的有效性。并以阶梯地形下某重力坝挡水坝段为例,研究了场址条件对静-动力组合作用下坝体损伤演化的影响规律,结果表明:距坝踵约一倍坝高以外淤泥覆盖层的吸能作用对坝体损伤影响轻微;岩基的塑性主要从坝踵开始,导致坝踵损伤减轻,坝体位移响应改变,对水平方向的影响更大。     

基于疲劳损伤的水库混凝土重力坝抗震性优化研究

重力坝被广泛应用于发电、供水等水利工程中,而疲劳损伤情况下的重力坝会引起严重的安全隐患。以云南省昭通渔洞水库为例,通过构建混凝土重力坝线弹性动力模型和混凝土塑性损伤模型,对重力坝进行数值模拟分析。结果表明,在地震波的影响下,重力坝坝顶和坝踵部位分别受到拉力和竖直向应力的影响。设置齿墙宽度为5和20m, 20m齿墙宽度时坝基面应力值最小,能有效加强坝体的稳定性。研究结果可为重力坝抗震性研究提供参考。     

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。     

鲁地拉重力坝坝基非线性对坝体极限抗震能力的影响研究

本文以鲁地拉水电站重力坝为例,采用线弹性模型和损伤塑性模型研究了重力坝坝基非线性对坝体极限抗震能力的影响,以坝体顶部折坡处的损伤区贯穿为"破坏"依据,计算了坝体"破坏"前所能承受的最大地震荷载。结果表明:地基线弹性模型和非线性模型得到的结果分别为1.6倍设计地震和2.2倍设计地震。对比分析可知,考虑地基非线性影响能够显著降低重力坝坝体折坡处的损伤分布,近而可以更好地模拟坝体结构本身的抗震承载能力。     

强地震作用下混凝土重力坝响应特性分析

研究了混凝土重力坝在高强度地震作用下的响应特性,分析了在地震峰值加速度不断增加时坝体屈服区域的发展方向。针对两个典型坝段,运用混凝土塑性损伤模型模拟了其结构的非线性特性。考虑了地震情况下动水压力的作用,通过动力有限元时程分析法计算了不同地震条件下两个坝段的动态响应。计算结果表明:当地震加速度较小时,重力坝只在坝踵区域出现小部分屈服,坝体能正常工作。若提高地震烈度,则局部损伤会纵深发展到达灌浆廊道部位,坝体会形成贯穿上下游的屈服区域并逐渐扩大致使结构失去稳定性。经两个坝段计算结果相互比较,得到了混凝土重力坝在强震作用下的非线性破坏形式,较为真实地反映出坝体的响应。     

基于非线性损伤本构模型的胶凝砂砾石坝超载分析

为揭示胶凝砂砾石坝损伤机制,基于胶凝砂砾石力学特性和应变破坏准则建立其非线性损伤本构模型,编制了相应的程序,并采用室内试验验证了该模型的合理性。采用该模型对胶凝砂砾石坝进行超载数值模拟,研究其坝体应力、结构破坏过程,结果表明胶凝砂砾石坝在超载后坝踵、坝趾均存在破坏风险,其中坝踵开裂风险较大。基于损伤本构模型进行超载分析还可知,胶凝砂砾石坝破坏模式为坝体和坝基材料变形不协调,使得随着超载倍数增大,坝体、坝踵产生屈服损伤,并逐渐开裂,裂纹沿上游建基面向下游扩展,而线弹性模型模拟无法获得该规律,因此基于非线性损伤本构模型的胶凝砂砾石坝受力分析可预测结构的失效模式,为结构设计提供依据。     

重力坝与坝基体系地震损伤破坏分析

为了揭示重力坝坝基体系地震破坏过程,需要同时考虑坝体和地基的损伤破坏。本文建立了较为完整的重力坝-地基-库水非线性动力分析模型,同时利用笔者开发的程序模拟了重力坝地基体系的地震破坏。结合印度Koyna坝震害,研究了坝体和地基岩体均采用损伤模型重力坝地基体系的地震破坏过程。作为比较分析,对坝体采用损伤模型、地基采用Drucker-Prager弹塑性模型进行了重力坝地基体系的地震破坏研究。计算结果表明,地基分别采用损伤模型和Drucker-Prager弹塑性模型,得到不同的破坏模式。坝体地基均采用损伤模型模拟的结果与实际震害接近,能更好反映重力坝地震损伤破坏。     

重力坝与坝基体系地震损伤破坏分析

摘要：为了揭示重力坝坝基体系地震破坏过程,需要同时考虑坝体和地基的损伤破坏。本文建立了较为完整的重力坝-地基-库水非线性动力分析模型,同时利用本文开发的程序模拟了重力坝地基体系的地震破坏。结合印度柯依那（Koyna）坝震害,研究了坝体和地基岩体均采用损伤模型重力坝地基体系的地震破坏过程。作为比较分析,研究了坝体采用损伤模型地基采用Drucker-Prager弹塑性模型重力坝地基体系的地震破坏。计算结果表明,地基分别采用损伤模型和D-P弹塑性模型,得到不同的破坏模式。坝体地基均采用损伤模型模拟的结果与实际震害接近,能更好反映重力坝地震损伤破坏。     

基于ADINA的重力坝动力响应及抗滑稳定性研究

利用有限元软件ADINA建立某拟建重力坝坝体-地基三维仿真模型,通过在坝基截断边界上设置黏弹性人工边界方式来模拟远域地基辐射阻尼对地震波产生的影响,基于时程分析法对该重力坝在设计地震及校核地震作用下的抗震能力进行分析,并对设计地震动进行超载,以坝基塑性区贯通为失稳判别标准,对该重力坝的深层抗滑稳定性进行研究。结果表明,设计地震及校核地震作用下,该重力坝的顺河向及竖向位移最大值均产生于坝顶位置;设计地震下,坝体仅在上游坝面坝踵前缘反弧段发生损伤开裂;校核地震下,下游折坡处也出现了轻微的损伤;设计地震动超载2.5倍时,该重力坝发生了滑动失稳。     

基于无限元边界模型的高拱坝损伤开裂数值分析

基于ABAQUS中的混凝土损伤塑性模型,分别建立了考虑地基辐射阻尼效应的有限元—无限元耦合模型和无质量地基模型,讨论高拱坝在设计地震作用下采用两种地基模型得到的应力、横缝开度、坝顶顺河向位移和损伤开裂情况。结果表明：无质量地基模型与无限元边界模型相比,坝体拱向和梁向应力最大值明显增加,增大了坝体的横缝开度和坝顶顺河向位移,同时坝体的损伤开裂情况更为严重。因无限元边界模型能考虑地基的辐射阻尼效应,能真实地反映坝体的地震响应,而无质量地基模型夸大了坝体的地震响应,故用无质量地基模型进行坝体的抗震分析是过于保守的。     

考虑开裂约束的重力坝体型优化设计

实体重力坝由于剖面尺寸大,混凝土用量较多,在设计时要进行最优化设计以使坝型既安全又经济。然而重力坝在运行中,上游坝踵区往往会出现开裂,随着筑坝高度的增加,坝踵开裂的概率也会越来越大,但坝踵的开裂并不一定意味着坝体的毁坏,只要保证裂缝是稳定的,坝体仍能正常运行。基于这一情况,对重力坝考虑开裂约束下的体型优化设计进行了研究,引入断裂参数约束式,建立开裂约束条件下的优化设计数学模型。并通过对工程实例的优化计算分析得出了合理的坝体断面,优化效果比较理想。     

地基辐射阻尼对高拱坝非线性地震反应的影响

本文建立了一种拱坝-地基-库水系统地震反应分析的非线性有限元模型,可以同时考虑无限地基的辐射阻尼、坝体混凝土损伤开裂非线性和坝体横缝非线性等影响高拱坝地震反应的关键因素。利用所建立的有限元模型,以我国拟建的大岗山高拱坝为例,分析研究了地基辐射阻尼对坝体混凝土损伤开裂和坝体横缝开度的影响。结果表明,地基辐射阻尼可以明显减小强地震荷载作用下,坝体中上部的损伤开裂程度和坝体横缝的最大张开度,并改变其分布规律。     

强震作用下肋拱式渡槽动力响应及损伤破坏机理研究

为探究强地震作用下肋拱式渡槽结构的损伤破坏演化过程，以长岗坡渡槽为例，建立肋拱式渡槽结构三维非线性有限元模型，采用黏弹性人工边界方法来实现无限域地基的精准模拟，引入混凝土塑性损伤本构模型，开展不同地震强度作用下肋拱式渡槽结构的动力响应分析及损伤破坏模式的研究。研究结果表明：渡槽结构的动力响应随地震强度增大而增大；地震作用下，基于塑性损伤本构模型，通过模拟得到渡槽结构的峰值位移、峰值加速度响应均较线弹性本构模型模拟结果大，主要是因地震波的持续作用使结构出现塑性损伤，致使刚度退化；反之，峰值应力较线弹性模型结果小，主要是因结构出现的塑性损伤会导致结构阻尼增大，耗散能增大。渡槽整体结构损伤严重的部位为顺槽向靠近支墩位置的槽体、跨中肋柱以及支墩、肋拱、肋柱交界处，明晰了槽体、小腹拱、支墩等构件的损伤演化破坏演化过程，揭示了其主要是由结构受力不均而引发的混凝土受拉损伤破坏的损伤破坏机制。研究成果明晰了渡槽结构的抗震薄弱部位，可为类似渡槽结构的抗震设计及加固处理提供理论基础。     

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。     

RCC重力坝地质缺陷坝基处理方案优化及加固效果评价研究

笔者针对RCC重力坝地质缺陷坝基开展处理方案优化和评价研究,采用有限元超载法对碾压混凝土重力坝的坝基接触面应力、位移及坝体破坏进行分析。研究表明:随着超载系数的增大,坝基接触面上游部位的拉应力和下游部位的压应力均增大,且坝踵拉应力增长幅度大于坝趾压应力的增长幅度。同时,坝基竖向位移增大,坝踵与坝趾的位移差也随着超载系数的增大而增大。地基接触面位移量值增大及上下游变形差异的增大都会导致坝体塑性区的发育和扩展,不利于坝体的稳定性。基于不同地基处理方案下坝基位移、坝踵与坝趾位移差异性比较可知:地基处理方案四的加固效果较其他三种处理方案更能有效提高坝基的承载能力和稳定性。     

两种非线性模型下重力坝强震破坏机理研究

以某重力坝为例，在已有研究的基础上，分别采用塑性损伤模型和动接触力模型，对混凝土重力坝进行非线性动力分析，研究讨论了坝体头部强震破坏进程、破坏机理以及在贯通前后上下游节点对位移差变化情况，并基于两种模型的本构关系，对比分析了两种模型下重力坝强震损伤破坏演化过程的差异及其对重力坝极限抗震能力的影响。研究结果表明，采用塑性损伤模型计算的混凝土坝坝体头部折坡处的开裂要早于接触模型，但是开裂进程比接触模型慢；若以坝体头部开裂贯通为依据，损伤模型和接触模型的极限抗震能力相差不大，接触模型略低；对头部存在明确层面、不需要考虑网格细化问题等的碾压混凝土坝可采用接触模型，对于不存在明确层面的情况，建议采用损伤模型。