混凝土重力坝的地震损伤破坏模拟研究

1、混凝土重力坝的地震损伤破坏模拟研究    0 引言 近年来混凝土坝在我国得到广泛的应用，一大批高混凝土坝在西南地区开工建设或即将开工。混凝土是一种典型的非均匀材料，通常情况下混凝土都是带初始裂纹工作的，在服役过程中还会逐渐劣化。混凝土的承载能力、变形、破坏都与裂纹扩展有关。其中，随机分布的微裂纹在一定程度上控制着混凝土的抗拉、抗压等宏观强度；方向一定的宏观裂纹会影响到混凝土的各向异性特性。混凝土类材料的断裂过程受控于其中原有的微裂纹，微裂纹一方面影响宏观裂纹的萌生过程，另一方面对主裂纹产生屏蔽与劣化的双重作用。在荷载作用下，混凝土中的微裂纹萌生、扩展、贯

2、通，直至产生宏观裂纹，最后失稳破坏，其破坏形态为脆性破坏，一般称为断裂。实际中混凝土材料的非均匀性使其损伤和断裂过程变得更加复杂12。因此，采用非线性方法，考虑混凝土损伤开裂后的应力重分布，模拟大坝的损伤开裂过程，是混凝土坝抗震安全评价的重要方向。基于断裂力学的混凝土数值模型13主要有分离型裂纹模型和分布型裂纹模型，以研究宏观裂纹的起裂、裂纹扩展和失稳破坏的过程为主；基于损伤力学的混凝土数值模型主要有45各向同性弹性损伤模型和各向异性弹性损伤模型，是在连续介质力学的基础上用固体力学方法研究材料宏观力学性能的演化直至破坏的过程；基于细观力学的混凝土数值模型6-8主要有格构模型、随机骨料模型、随机

3、粒子模型、Mohamed A R9等提出的细观模型、随机力学特性模型等，这些数值模型将混凝土材料视为由硬化水泥浆体、粗骨料以及它们之间的粘结界面组成的三相非均质复合材料，借助连续介质力学推断宏观本构关系，表征复杂组分介质力学性能。目前技术条件下直接应用细观力学模型很难实现。本文首先论证了混凝土重力坝地震损伤破坏模拟中考虑材料的非均匀性和非线性的必要性，然后在宏观均质假定的基础上，考虑混凝土材料的细观非均匀性，采用带残余强度的幂函数下降段损伤演化模型，以及带拉伸截断的摩尔-库伦准则模拟了大坝的地震损伤破坏过程。 1 混凝土损伤计算模型 混凝土的损伤过程是一个能量耗散的不可逆过程，混凝土材料的非线

4、性是由于受力后初始缺陷不断发展演化的结果，当单元划分的足够小时，从细观上可以用弹性损伤本构关系来描述单元的力学性质。根据应变等价原理，认为应力作用在受损材料上引起的应变与有效应力作用在无损材料上引起的应变等价。 计算中首先将静荷载转化为动荷载施加在坝体上，给予足够的时间达到稳定；随后每一地震荷载步时提取应力值和应变值进行损伤判断，如该步未产生损伤，进入下一荷载步；否则根据损伤值更新弹性模量重新求解应力值和应变值进行损伤判断，直到前后两次统计的损伤单元差值满足给定的收敛数值，进入下一荷载步计算。通过对通用有限元软件ANSYS 二次开发实现了这一过程。 2 混凝土重力坝地震损伤破坏数值模拟 2.1

5、 计算模型及计算条件 本文以印度 Koyna 混凝土重力坝为对象进行地震损伤破坏过程模拟。该坝坝高103m，坝顶宽14.8m，坝底厚72m，上游坝坡斜率为24：1，下游坝坡斜率为1：0.725。在1967年的6.5 级强震中，该坝在多个非溢流坝段下游66.5m 高程折坡处和上游60.0m66.5m高程范围内产生了水平裂缝，且裂缝贯穿坝体上下游，在下游裂缝处产生了渗漏。实测坝基地震水平峰值加速度为0.474g，竖向峰值加速度为0.312g。 为模拟 Koyna 大坝的地震破坏过程，本文在平面应变状态下用ANSYS 软件对坝体进行了有限元网格离散化。坝体高程0m1m和55m68m的区域划分精细网格

6、，单元尺寸为50cm，细化部分共1813 个单元，2047 个节点，采用文中的损伤演化模型加破坏准则考虑其非线性。坝体其他部分混凝土材料视为线弹性，网格较粗。整体模型共5704 个单元，5800 个节点。 计算荷载包括自重、静水压力、动水压力和地震荷载。其中混凝土密度取为2460kg/m3，动水压力采用Westergard 公式计算，坝体材料阻尼采用Rayleigh 阻尼假定，阻尼比为5%，假定地基为刚性，地震波为Koyna 水平与竖直记录，见图4，分别从顺河向和竖直向输入。 2.2 不同材料属性情况下大坝的应力分布情况对比 传统大坝应力分析将坝体材料视为均质线弹性，实际上由于施工技术、荷载大

7、小等的影响坝体材料是非均质非线性的，为论证考虑混凝土材料非均质非线性的必要性，本文比较了均质线弹性、非均质线弹性和非均质非线性三种材料属性下的大坝数值模拟结果中单元最大应力分布情况，如图5 所示。从图5 可见：三种情况下大坝的整体应力分布类似，高应力区集中在上下游界面处。均质线弹性时，大坝坝头折坡处和坝基处的最大主拉应力大部分在1.67MPa8.33MPa 范围内，最大值可达到15.0MPa，远远超出了动抗拉强度2.9MPa，此时大坝实际上已经开裂，应采用非线性方法，在计算中考虑由开裂引起的应力重分布；非均质线弹性时，坝头折坡处和坝基底部的主拉应力表现出不连续性，部分区域的应力比均质时明显增大

8、，可见考虑材料的非均匀性后应力状态有加剧的趋势；非均质非线性时，大坝单元应力的变化与前两者相差很大，大坝开裂后出现应力重分布，致使破坏更剧烈。由此可见，考虑混凝土的非均匀性和非线性是很有必要的。 2.3 只计拉损伤的大坝地震破坏模拟 施加静荷载后和动荷载初期，细化区单元都保持线弹性，无损伤发生。1.0s 时首先在大坝坝基处产生损伤，坝头折坡处下游折坡处产生损伤，然后坝头折坡处上游也开始产生损伤。 随着地震动荷载的继续施加，坝基处首先产生完全损伤，但完全损伤区域小，只能形成一条小裂缝。随后在坝头折坡处上游侧产生完全损伤，并逐渐向下游折坡处扩展，形成一条完全损伤带，即大坝的弱化区域。当坝体单元达到

9、拉破坏且应变达到一定要求时认为该单元破坏，裂缝出现。 地震动作用下，坝头折坡处上游位置首先产生较大变形，并逐渐向下游折坡处发展，从中可以预测大坝裂缝的大概位置和特征。在地震作用下，高应力区出现在坝头折坡处上游侧。随着这些单元的大应变产生拉损伤，引起力学性质的弱化，裂缝沿着应力集中区扩展，裂缝的产生释放了高应力区，使大坝应力得以重分配，高应力区逐渐向下游发展，引起下游单元的拉伸损伤，引起刚度弱化，最后形成了一条贯穿裂缝，是导致大坝破坏的主要裂缝。与此同时坝体上游靠近上部的位置也产生了裂缝，这样坝头折坡处上游裂缝包围的混凝土在地震动作用下脱离了坝体。坝踵处也产生了一条狭小裂缝，但未贯穿。综上可见，

10、拉损伤破坏是导致混凝土大坝破坏的主要原因，这也是混凝土材料的拉压不等性造成的。该模拟裂缝结果和唐欣微2采用等效概率模型模拟的结果很相近。 2.4 计拉损伤和压损伤的地震破坏模拟 实际上大坝破坏过程中可能同时存在拉损伤和压损伤，拉破坏的混凝土仍可承压，考虑到以上因素，本文进行了计拉损伤和压损伤的大坝地震破坏模拟，当坝体单元同时达到拉破坏或压破坏，且应变达到一定要求时认为该单元破坏，裂缝出现。对裂缝图进行分析，可见在拉压损伤同时考虑时，由于拉破坏单元仍可承压，大坝的破坏没有只计拉损伤时严重，但是主要特征变化不大，大坝也是在坝头折坡处和坝踵位置产生裂缝，大坝的破坏主要是由坝头折坡处裂缝沿着应力集中区

11、不断扩展而导致的。综上可见，拉损伤破坏是大坝破坏的主要影响因素。 3 结论 本文在考虑混凝土细观非均匀性影响的基础上，采用弹性损伤本构关系和带拉伸截断的摩尔-库仑准则模拟混凝土单元的劣化过程，并通过对ANSYS 软件进行二次开发实现了这一过程。通过混凝土均质线弹性、均质非线性、非均质非线性三种情况下大坝应力的分布情况比较，说明了在混凝土坝强震损伤破坏模拟中考虑细观非均匀性和混凝土非线性的必要性。通过模拟地震作用下Koyna 混凝土重力坝的破坏过程得出：开裂现象是从上游开始的，坝踵产生裂纹，未贯穿，坝头折坡处产生较大裂缝是导致大坝破坏的主要原因。这与该坝的实际震害相接近。综上可见，对混凝土坝进行

12、强震作用下损伤破坏全过程的模拟有助于全面评价其抗震安全性。 热点论文网专业进行医学期刊代写论文业务，并提供教育论文代写服务，如有业务需求请联系网站客服人员！ 参考文献 1 唐春安，朱万成。混凝土损伤与断裂数值试验M.北京：科学出版社，2003. 2 Tangchunan, Zhuwancheng. Concrete damage and fracture-numerical experimentsM. Beijing: Sciencepress,2003 3 唐欣薇。基于宏细观力学的混凝土破损行为研究D：（博士学位论文）。北京：清华大学，2008. 4 Tangxinwei. Study on

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