碾压混凝土重力坝诱导缝施工期三维非线性开裂分析

1、第38卷第3期2005年6月武汉大学学报(工学版)文章编号:167128844(2005)032041204碾压混凝土重力坝诱导缝施工期三维非线性开裂分析刘杏红,常晓林,(,)摘要:,对大坝诱导缝的开裂及裂缝.,诱导缝开裂发生,根据开裂分析结果,建议诱导缝的设置长度为4.5m.关键词:碾压混凝土重力坝;诱导缝;有限元;温度仿真;分布裂缝模型中图分类号:TV642文献标识码:AThree2dimensionnonlinearcrackingstudyofinducingslitofRCCgravitydamduringconstructionperiodLIUXin2hong,CHANGXiao

2、2lin,ZHOUWei(StateKeyLaboratoryofWaterResourcesandHydropowerEngineeringScience,WuhanUniversity,Wuhan430072,China)Keywords:RCC;gravitydam;inducingslit;FEM;temperaturesimulation;distributingcrackmodel为了简化施工程序,加快施工进度,现代碾压混凝土坝都采取尽量不设或者少设永久性横缝的设计思想.但是为了释放施工期内外温差产生的混凝土表面温度应力,现代碾压混凝土坝都采取了在坝内设置“诱导缝”方式.如普定碾压

3、混凝土拱坝就采取整体式坝体结构,不设施工缝,仅在溢洪道两侧各设一诱导缝,以减小施工干扰,限制坝体裂缝,加快施工进度,试验分析及蓄水运行表明,普定碾压混凝土拱坝诱导缝的设置位置和数量是合适的1,2;沙牌碾压混凝土拱坝在拱冠部位设置2条诱导缝,通过观测,已施工的坝体诱导缝均沿整个缝面被拉开,其中2号缝最大缝宽达22mm,虽然坝内最高温升曾达到38.5,外部最低气温为-11.3,仓面经常处于长间隔期(最长达4个月之久),而迄今坝体的各部分基本上都没有产生贯穿性或表面的裂缝,说明该工程的结构分缝方案达到了降低坝体温度应力、防止随机裂缝发生的目的3;龙首碾压混凝土双曲拱坝在坝体上设置2条收稿日期:200

4、4210214作者简介:刘杏红(19792),女,湖北武汉人,博士研究生,从事高坝结构数值仿真理论方面的研究.42武汉大学学报(工学版)2005诱导缝,1号诱导缝布在1号表孔右侧,2号诱导缝设在4号表孔左侧,2条诱导缝将坝体分成40、60、41m共3段,在施工期拱坝上的2条诱导缝完全拉开,最大宽度达5.0mm,在拱坝其余部位未见明显的危害性裂缝,说明诱导缝防裂效果明显4.诱导缝的设置目的是让一些不可避免的混凝土表面裂缝按照设计者的意图在诱导缝部位产生,而工程师已事先在诱导缝部位布置好了止水设施,这样就避免了施工过程中和运行期随机出现的坝体混凝土表面裂缝.因此“诱导缝”的设计(包括诱导缝的形式、

5、设置部位、长度等)的一个重点.工方法.结合本工程实际,根据坝体结构布置和结构应力情况初步拟定分缝位置:上部常态混凝土部分每个坝段设1条横缝,横缝间距20m,下部碾压混凝土部分每2个坝段设1条横缝,横缝间距40m,中间设诱导缝,诱导缝采用从上下游面表面沿顺河向向内部切割成缝的施工方法,内部的坝体混凝土保持原整体结构,不进行切割分缝.由于彭水电站大坝的诱导缝只是在坝体的表面形成裂缝,因而可以采用断裂力学的方法研究施工期和运行期的诱导缝开裂机理.本文考虑彭水电站大坝的实际碾压浇筑过程,采用混凝土分布裂缝模型模拟诱导缝的开裂过程,采用接触单元模型5模拟横缝两侧坝体混凝土的接触关系,基于三维瞬态有限元仿

6、真温度成果,对大坝诱导缝的开裂情况进行了分析.初始弹性模量;ic为最大应力;ic为与ic相对应的应变;if、if分别为应力等效单轴应变曲线下降段上某点的应力和应变值.对式(1)微商可得到等效单轴切向弹性模量.利用William2Warnke五参数屈服准则可以确定混凝土的最终强度曲面,由最终强度曲面可求得3个ic.为了求得相应于ic的等效单轴应变ic,假定在等效单轴应变空间有一曲面,这ic.,假定进行选取:(3)if=4ic,if=ic/4在应变软化区,为了避免出现非正定的刚度矩阵,计算刚度矩阵时,对等效单轴切向弹性模量取一很小的正数,计算应力增量时,取实际的负的弹性模量8.1.2混凝土裂缝模型

7、本文采用分布裂缝模型模拟诱导缝的开裂行为.该模型不是直观地模拟裂缝,而是在力学上模拟裂缝的作用,分布裂缝模型假定在单元内产生很大平行的裂缝,在裂缝表面上不能承受拉应力,但在平行于裂缝方向,可以继续承受拉应力.在建立刚度矩阵时,考虑裂缝的影响后,在垂直于裂缝的方向,弹性模量等于零,在平行于裂缝方向,仍保持原来的弹模.由于裂缝扩展后不必修改计算网格,只要改变单元的力学参数,在程序实现上比较方便.诱导缝属于张开I型裂缝,可以采用裂缝扩展的临界条件判断诱导缝是否继续开裂:(4)KIKIC式中:KI为诱导缝端应力强度因子;KIC为断裂韧度.文献9建议采用下式计算混凝土的断裂韧度:(5)KIC=0.286

8、kRt对于大体积混凝土k=1.9,Rt为混凝土抗拉强度.由于在施工过程中,诱导缝的开裂长度将发生变化,因此不能采用固定网格形式的缝端奇异单元模拟诱导缝,本文采用Bazant提出的钝裂缝带模型10进行缝端应力强度因子的计算.诱导缝开裂分析的基本思路是:在每一个荷载步计算完毕后,就对诱导缝单元进行裂缝扩展的临界判断,如果发现某一时刻诱导缝单元的缝端应力强度因子大于其断裂韧度,就认为诱导缝将继续裂开,在计算时将其拉应力释放,再把已释放拉应力单元的拉应力作为初应力荷载施加在诱导缝相邻1基本计算原理1.1混凝土本构模型本文采用William2Warnke五参数准则6判断混凝土的屈服和破坏,在屈服以前,采

9、用等效单轴模型模拟混凝土的本构关系,在混凝土开裂后,采用分布裂缝模型模拟其开裂行为.混凝土三向受力时的等效单轴应变与应力关系7如下:(i=E0iu/1+(R+E0/Es-2)iu/ic)-23(2R-1)(+R(iu/ic)iu/ic)(1)(2)R=2-Es(ific/if-1)式中:i为等效单轴应力;iu为等效单轴应变;E0为第3期刘杏红等:碾压混凝土重力坝诱导缝施工期三维非线性开裂分析43的单元上,逐步迭代,直到满足裂缝扩展的临界条件为止,最后可得到混凝土开裂单元的宽度,以此作为诱导缝的长度.最低高程185m,最大坝高116.5m,最大底宽90.25m,正常蓄水位293.0m.2彭水电站

10、碾压混凝土重力坝诱导缝开裂分析2.1三维有限元网格离散坝体坝基的有限元模型如图1所示,大坝三维计算网格如图2所示,其中建基面185m高程以下基岩厚度约1.0倍坝高,坝轴线上游侧顺河向范围约1.5倍坝高,下游侧顺河向范围约2倍坝高,左右坝肩横河向范围约1倍坝宽.坝体及坝肩(基)岩体采用空间8节点等参实体单元,58670个彭水水电站位于乌江干流下游,挡水大坝为弧形混凝土重力坝,位于“V”形对称峡谷中.建基面35450个单元.图1彭水电站坝体坝基整体有限元模型图图2彭水电站大坝三维有限元网格2.2大坝整体仿真应力及开裂分析结果向应力等值线.由图可知,坝体的诱导缝有效地截断了基础约束区拉应力分布,使高

11、拉应力在诱导缝处得以释放,在诱导缝部位形成一个低应力区域.图3给出了正常工况下大坝整体2007年1月(冬季)的上游面主拉应力等值线,图4给出了大坝典型断面2007年1月(冬季)的上游面坝轴图3大坝整体上游面2007年1月主拉应力等值线(Pa)图5给出开裂分析中河床坝段中部诱导缝部位3个高程的诱导缝缝端强度因子的发展轨迹,图中纵轴坐标为无量纲系数:诱导缝缝端强度因子与断裂韧度的比值,即K=KI/KIC.虑到施工方便等因素,建议诱导缝的设置宽度为4.5m.3结语本文采用裂缝模型模拟了大坝诱导缝的开裂行为.计算结果表明,坝体的上游面诱导缝缝端应力强度因子局部超过混凝土的断裂韧度,诱导缝发生开裂,诱导

12、缝的裂开明显地减小了坝段中部区域的拉应力;随着高程的增加,诱导44武汉大学学报(工学版)2005参考文献:1杨家修.普定碾压混凝土拱坝防裂结构设计J.水力发电,1995(10):20223.2朱军,陆述远.碾压混凝土坝可靠性分析J.武汉水利电力大学学报,2000,33(4):14216.3钟永江.高碾压混凝土拱坝结构分缝及材料特性研究J.水力发电,2001(8):17219.4杨家修,崔进,张世杰.龙首水电站碾压混凝土拱坝结构设计J.水力发电(:15218.52AmodelonbasisandengineeringChineseJournalofRockMechanicsandEngineer

13、ing,2004(9):156821573.6WillamKJ,WarnkeED.ConstitutivemodelforthetriaxialbehaviorofconcreteC.Proceedings,Inter2nationalAssociationforBridgeandStructuralEngi2neering,Bergamo,Italy.ISMES,1975.7ElwiAA,MurrayDW.A3DhypoelasticconcreteconstitutiverelationshipJ.JASCE,1979,105,EM4:6232641.8BatheKJ,RamaswamyS.Onthree2dimensionalnonlinearanalysisofconcretestructuresJ.NulEngandDegsign,1972,52:3852409.9于骁中.岩石和混凝土断裂力学M.长沙:中南工业EngMechDiv,图41(Pa)图5典型高程诱导缝缝端应力强度因子的发展轨迹大学出版社,1991.10BazantZP,CedolinL.BluntcrackbandpropagationinfiniteelementanalysisJ.JEngMechDiv,4.5m.(上接第30页)7KatonaMichaelG.Simpl