基于扩展有限元法的重力坝强震潜在失效模式分析

扩展有限元法（XFEM）通过在相关节点的影响域上富集非连续位移模式,使得对非连续位移场的表征独立于单元边界,可以有效描述混凝土中的裂纹扩展。以Koyna重力坝为例,采用XFEM 分析了大坝地震渐进破坏过程和失效模式,数值模拟结果与文献中的模型试验结果基本一致,验证了计算模型的有效性。考虑地震动频谱特性的影响,采用合理的地震波对国内某混凝土重力坝强震下的动力破坏过程进行了数值仿真分析,得到了不同水平地震作用下的大坝破坏形态,并概化出强震作用下混凝土重力坝的潜在失效模式,为大坝抗震设计、特定失事模式下的工程安全风险率分析及洪水演进提供计算基础。     

不同地震波荷载作用下重力坝破坏模型差异研究

随机性是地震荷载重要的特征因素之一,在抗震设计中不容忽视.本文选取金安桥重力坝作为研究对象,对大坝处于不同地震波荷载作用下的破坏模式差异展开研究,探讨不同类型地震荷载作用下重力坝的失效特征及动力响应,可以为重力坝抗震设计提供依据.研究结果显示,不同地震波荷载作用下重力坝的破坏模式存在明显差异,大坝位移变化幅值、损伤演化速度与输入的地震动荷载参数关系紧密.因此受地震荷载随机性影响,结构潜在的易损区域并不能仅通过某条单一地震波分析确定,需加强地震荷载频谱特性与结构动力响应相关性的研究.     

用改进扩展有限元法研究重力坝强震断裂过程

本文用改进的扩展有限元法（Extended Finite Element Method，XFEM）—引入虚结点的XFEM在静力功能基础上实现了动力断裂分析功能，并用于强震中结构多条裂缝的同时扩展分析。采用混凝土I型和I/II混合型动力断裂试验进行了精度验证，然后将该方法应用于Koyna坝的地震开裂分析。结果表明，这一方法在求解混凝土I型和I/II混合型动力断裂问题方面具有良好精度。这一方法避免了网格不断重剖分的困难，也无需采用开裂单元的子域积分来描述非连续位移场，即可实现单元内连续断裂过程的模拟。     

基于联合有限-离散元法的混凝土重力坝地震破坏过程仿真

许多工程和科学问题都涉及从连续介质到非连续介质的转化.混凝土坝遭遇强烈地震导致坝体严重受损就是一个典型的例子.为了预测强震下混凝土坝的动力响应,需要采用一套合适的数值方法进行从连续介质到非连续介质转化的数值模拟,从而实现结构破坏的全过程数值仿真分析.应用联合有限-离散元法结合弥散式旋转裂缝模型分析了地震作用下混凝土重力坝动力破坏过程.数值计算结果得出的最终破坏形态与模型试验结果基本一致.     

用改进扩展有限元法研究重力坝强震断裂过程

采用改进的扩展有限元法(Extended Finite Element Method,XFEM),即引入虚结点的XFEM,在静力功能基础上实现了动力断裂分析功能,并用于强震中结构多条裂缝的同时扩展分析。采用混凝土Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型动力断裂试验进行了精度验证,然后将该方法应用于Koyna坝的地震开裂分析。结果表明,这一方法在求解混凝土Ⅰ型和Ⅰ-Ⅱ混合型动力断裂问题方面具有良好精度,其避免了网格不断重剖分的问题,也无需采用开裂单元的子域积分来描述非连续位移场,即可实现单元内连续断裂过程的模拟。     

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。     

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。     

盐浸-干湿-冻融耦合作用下混凝土坝强震开裂机理

为探究混凝土坝在盐浸侵蚀、干湿循环、冻融循环因素影响下的强震破坏规律,通过材料劣化试验和数值模拟方法开展大坝强震开裂机理研究。针对坝体不同位置开展盐溶液侵蚀、干湿循环以及冻融循环劣化试验,基于材料试验结果,构建混凝土重力坝扩展有限元模型,模拟混凝土材料劣化前及劣化后混凝土坝强震开裂破坏情况。结果表明：多因素耦合作用导致混凝土材料劣化,强震作用下会降低大坝承载能力,增加大坝倒塌破坏风险。考虑混凝土多种劣化因素影响,所得结论可用于高寒地区混凝土坝的抗震设计。     

地震作用下高面板砂砾石坝渗流-应力耦合研究

天然砂砾石料具有级配离散性差、间断性和施工易分离等特性,强震作用下大坝防渗体一旦发生破坏,将会带来不利影响。采用混凝土塑性损伤模型和堆石料广义塑性模型,对弱透水性高面板砂砾石坝进行动力有限元分析,确定面板损伤分布,进而计算坝体非稳定渗流场,建立以混凝土损伤模型和堆石料广义塑性模型为基础的非稳定渗流-应力耦合计算方法,分析在非稳定渗流作用下,大坝应力和变形的变化规律。结果表明:坝体为弱透水时,地震结束后大坝在非稳定渗流作用下,坝体小主应力显著减小,面板产生向上拉伸、向外弯曲趋势的位移增量,面板部分区域损伤值变大。评价大坝极限抗震能力时,除了考虑地震结束时面板的损伤状态,还应进一步考虑面板破坏后非稳定渗流对应力场的影响。     

地震作用下混凝土重力坝极限抗震能力分析

采用ABAQUS中的混凝土塑性损伤模型来模拟某重力坝的地震响应特性,分析不同强度地震下坝体损伤破坏区。以印度的Koyna混凝土重力坝为例,采用混凝土塑性损伤模型模拟了大坝动力损伤破坏过程,数值模拟结果与文献中模型试验结果基本相同,验证了数值模型的正确性,根据损伤破坏效应能够判定Koyna重力坝的极限抗震能力为0. 4g～0. 45g。对云南省某混凝土重力坝的极限抗震能力进行了探讨,根据重力坝的损伤破坏效应可以初步认定该混凝土重力坝的极限抗震能力在0. 4g～0. 45g。     

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。     

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。     

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。     

强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究

采用混凝土弥散性裂缝模型,运用非线性模型对国内某高混凝土重力坝进行破坏模式研究。通过地震超载法得到各类典型坝段最终破坏形态,并对典型坝段的裂缝演化进行了时间历程模拟,得到裂缝出现、发展至坝体破坏全过程。研究得出了不同类型坝段在极限地震荷载作用下的破坏规律,并对重力坝抗震关键部位和薄弱环节进行了总结,为实际工程中采取工程措施提供了参考。     

考虑材料非均匀性的Oyuk坝静动破坏模式分析与安全度评价

Oyuk坝是世界上仅有的两座百米级硬填料坝之一。在宏观均质假定的基础上考虑硬填料较为明显的细观非均匀性的影响,基于损伤本构模型对Oyuk坝在正常运行工况以及地震工况下的大坝工作性态进行了分析,采用水荷载与地震荷载超载法,探讨了Oyuk坝在静动条件下的破坏模式与安全度,并与弹塑性本构模型的计算结果进行了对比。研究结果表明:在正常运行工况以及OBE地震工况中,Oyuk坝基本全断面受压,坝体强度安全系数与抗滑稳定系数均较高,坝体基本处于弹性工作状态;大坝存在静力整体失稳的破坏模式,但对水荷载的超载安全度高,且抗震性能好;采用考虑细观非均匀性的损伤本构模型所得大坝的破坏过程与破坏形态比弹塑性模型的模拟结果更贴近实际。     

Seismic response of concrete gravity dam reinforced with FRP sheets on dam surface

This paper aims at exploring the effects of anti-seismic reinforcement with the fiber-reinforced polymer （FRP） material bonded to the dam surface in dam engineering. Time-history analysis was performed to simulate the seismic failure process of a gravity dam that was assumed to be reinforced at the locations of slope discontinuity at the downstream surface, part of the upstream face, and the dam heel. A damage model considering the influence of concrete heterogeneity was used to model the nonlinearity of concrete. A bond-slip model was applied to the interface between FRP and concrete, and the reinforcement mechanism was analyzed through the bond stress and the stress in FRP. The results of the crack pattern, displacement, and acceleration of the reinforced dam were compared with those of the original one. It is shown that FRP, as a reinforcement material, postpones the occurrence of cracks and slows the crack propagation, and that cracks emanating from the upstream surface and downstream surface are not connected, meaning that the reinforced dam can retain water-impounding function when subjected to the earthquake. Anti-seismic reinforcement with FRP is therefore beneficial to improving the seismic resistant capability of concrete dams.     

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。     

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。     

基于附加质量的混凝土重力坝地震仿真分析

为了研究混凝土重力坝在地震过程中的动态响应规律,采用ABAQUS三维附加质量法模拟桃林口大坝在迁安波作用下的动态响应,并研究了3个方向地震加速度在地震过程中的影响程度。计算发现:坝体虽未发生震损,但下游断面突变处最大拉应力达到2.56 MPa,临界于混凝土的动态抗拉强度值2.6 MPa,应引起注意,在设计中折坡处宜做成圆弧形,以减少应力集中;在地震过程中,坝体横河方向位移量达到了17.87 mm,极易造成相邻坝段发生碰撞破坏,工程中可进行横缝灌浆用以加固;同时计入3个方向的地震作用是对坝体最不利的计算方案,横河向地震加速度和垂直地震加速度在整个抗震分析中都有着重要影响,单纯考虑其中某一方向地震作用的做法严重失真。     

水下爆炸冲击荷载作用下重力拱坝及坝后式厂房的破坏效应

当坝身设有孔口且存在坝后式厂房时,水下爆炸冲击荷载作用下大坝的动力响应非常复杂。 针对此问题,考虑爆炸作用下混凝土的高应变率效应,采用Ｌａｇｒａｎｇｉａｎ－Ｅｕｌｅｒｉａｎ耦合方法建立水下爆炸 冲击下大坝－厂房－库水－坝基全耦合模型,利用数值模拟技术分析了水下爆炸冲击荷载作用下重力 拱坝及其坝后式厂房的动态破坏过程,得到了重力拱坝及坝后式厂房在水下爆炸冲击荷载作用下的损 伤破坏过程及损伤机理。结果表明:水下爆炸冲击荷载作用下重力拱坝的损伤破坏形式包括爆炸成坑 破坏、气穴冲切破坏、局部拉伸破坏和整体拉伸破坏;随着爆心距的增大,大坝的主要损伤破坏形式逐渐 改变,分别为爆炸成坑破坏、局部拉伸破坏和整体拉伸破坏,当爆心距进一步增大时,坝体破坏逐渐减 小;进水口和溢流表孔的存在削弱了坝体局部强度和拱效应;水下爆炸冲击荷载作用下,坝后式厂房由 于结构的整体响应发生局部拉伸破坏。