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1、水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期W aterR esources and Hydropower EngineeringV ol1 41 No12强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究李 昇1,2,张社荣1,贾 璐3,黄 虎1(11天津大学 建筑工程学院,天津 300072;21水利部水电水利规划设计总院,北京 100120;31河南省电力勘测设计院,河南 郑州 450007)摘 要: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
2、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。关键词:破坏模式;混凝土重力坝;动力分析;非线性;超载法中图分类号:TV312+TV64213 文献标识码:A 文章编号:1000-0860(2010)02-0022-05Study on failure mode for concrete gravity da m under i mpact of strong earthquakeLI Sheng1,2,ZHANG She-rong1,JIA Lu3,HUANG Hu1(11College of CivilEng
3、 ineering,T ianjin University,T ianjin 300072,China;21Hydropo wer andW ater Resources Planning and Design General Institute,MWR,Beijing 100120,China;31Hennan Electric Power Survey&Design Institute,Zhengzhou 450007,Henan,China)Abstract:W ith application of smeared crackmodel for concrete,the failurem
4、ode is studiedw ith nonlinearmodelfor a high con-crete gravity da m in China 1 Through themethod of seism ic overload,the finalfailuremodesof allthe typicalda m sections are ob-tained,and then thewhole process from the crack appearance,development and failure of da m body is acquired fro m the ti me
5、history si mulationmade on the crack evolution of the typicalda m section1 The study gives the failure laws of various types of thedam section under ulti mate seism ic load and summarizes the key locations andweak points for the earthquake-resistance ofgravitydam;which provides some references for t
6、he engineering measures taken in the actual construction concerned1Keywords:failure mode;concrete gravity da m;dyna m ic analysis;nonlinear;overloading method 收稿日期:2009-11-12作者简介:李 昇(1960),男,教授,博士。西南地区是我国强震频发地区。目前,龙开口、阿海等一批高混凝土重力坝正在这些强震区进行建设,抗震安全问题十分突出。重力坝破坏模式研究是重力坝抗震能力和抗震安全性评价的关键问题。目前,世界上重力坝震害典型工程仅
7、有伊朗的SefidRud大头坝、印度的 Koyna重力坝和我国的新丰江大头坝,人们对强震作用下混凝土重力坝的非线性动力响应、破坏过程、破坏机理和破坏模式等还知之甚少。传统的混凝土重力坝线弹性动力分析,由于不能考虑材料非线性所造成的应力重分布,则拉应力对结构安全产生的不利影响难以做出准确判断。本文采取混凝土弥散裂缝模型,运用时程分析法对典型坝段在超载地震荷载作用下的响应进行了研究,模拟了重力坝动力破坏过程,分析重力坝的破坏形态和裂缝出现位置以及裂缝的发展过程,并进行抗震安全性评价,得出了一些强震作用下重力坝破坏的基本规律。1 重力坝破坏模式研究方法目前,研究混凝土重力坝在地震过程中破坏模式主要有
8、室内模型试验、数值计算及理论分析。动力破22李 昇,等M强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期坏模型试验能够在一定程度上反映原型混凝土重力坝在强震作用下的非线性动力响应、破坏过程和破坏形态,但由于影响混凝土重力坝动力响应和破坏形态的因素很多,模型试验无法考虑全部影响因素。需要结合数值计算进行研究。材料力学法思路明确,目前重力坝设计规范有与之配套的设计标准。但材料力学法在动力计算中,只能采用伏格特公式近似地考虑地基弹性对坝体地震动力响应的影响,没有考虑坝体材料非线性因素,对地震波输入、地基质量和阻尼的影响也无法准确描述。目前,随着计算机技术的发展,有限元法
9、以其能够有效地解决复杂结构的应力分析,逐步成为重力坝抗震计算的一个可行、可靠的手段。弥散裂缝是模拟混凝土开裂行为常用的一种方法。弥散裂缝模型采用非弹性开裂应变等效模拟裂缝,通过调整材料软化本构关系,满足断裂能守恒准则。弥散裂缝力学模型能自动确定裂缝起裂、扩展的完整信息,具有较高的计算效率,被广泛应用于大体积混凝土动力材料非线性研究。ANSYS中 SOLID65单元是专门为混凝土、岩石等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单元,该单元采用 W illam-W a mke五参数破坏曲面,可以模拟混凝土材料的开裂、压碎、塑性变形和蠕变的能力。111 开裂模拟通过修正应力 应变关系,引入垂直于裂缝
10、表面方向上的一个缺陷平面来表示在某个积分点上出现了裂缝。当裂缝张开时,后继荷载产生了在裂缝表面的滑动或剪切时,引入一个剪切传递系数来模拟剪切力的损失。如果裂缝是闭合的,那么所有垂直于裂缝面的压应力都能传递到裂缝上,但是剪切力只传递原来的 Bc(0 B 1)倍。SOL I D65单元的状态可以分为张开裂缝、闭合裂缝、压碎和完整单元共 4种。在具体结构的应用中,可以有 16种不同的排列组合方式。112 压碎模拟假如在单轴、双轴、三轴压力作用下,某个积分点上的材料失效了,就认为这个点上的材料压碎了。在 SOL I D65单元中,压碎意味着材料结构完整性的完全退化。当出现压碎情况时,材料强度已经退化到
11、在积分点上对单元刚度矩阵的贡献完全可以忽略的地步。113 失效准则ANSYS中的混凝土材料可以预测脆性材料的失效行为。同时考虑了开裂和压碎失效模拟。多轴应力状态下混凝土的失效准则表达式为Fft-S0(1)式中,F是主应力的函数;S 表示失效面,是关于主应力及 ft、fc、fcb、f1、f25个参数的函数。其中,ft为单轴极限抗拉强度;fc为单轴极限抗压强度;fcb为等压双轴抗压强度;f1为静水压力下的双轴抗压强度;f2为静水压力下的单轴抗压强度。若应力状态不满足式(1),则不发生开裂或压碎。根据不同受力特征可将混凝土的破坏区域分为 4个:压)压)压区(0R1R2R3)、拉)压)压区(R10R2
12、R3)、拉)拉)压区(R1R20R3)和拉)拉)拉区(R1R2R30)。在每一个区域可以用独立的函数 F 和破坏面 S 来表示,则函数 F 在不同区域分别被表示为 F1、F2、F3和 F4,同时函数S也相应地被表示为 S1、S2、S3和 S4。函数 Si(i=1,2,3,4)具有如下性质:所描述的破坏面是连续的;当任意一个主应力改变符号时破坏面的梯度是不连续的。2 重力坝抗震能力与破坏形态以国内某重力坝的挡水坝段、厂房坝段、溢流坝段三类典型坝段为例,输入地震波为标准反应谱生成的人工地震波,地震波幅值按地震超载系数进行调整。211 工程基本资料该重力坝为国内某碾压混凝土重力坝,坝高 143m。坝
13、区场地为类,设防烈度为 8度,100年超越概率2%的地震动峰值加速度为 01229g,地震波持时 20 s。地震动采取水平向和竖向同时输入,竖向地震加速度代表值 av取水平向加速度代表值 ah的 2/3。人工地震波加速度时程如图 1所示。不同超载系数下地震波按幅值比例进行调整。分别取地震超载系数 1100(峰值加速度为 01229g)、1131(峰值加速度为 013g)、1175(峰值加速度为014g)、2118(峰值加速度为 015g)、2140(峰值加速度为 0155g),在地震超载系数为 2140后每隔 0101g增加一个计算工况,直至坝体破坏。212 计算模型和参数图 2为 3个典型坝
14、段有限元计算模型,坝基模拟范围:顺河向上游取 115倍坝高,下游取 115倍坝高;坝底以下竖直向下取 115倍坝高。坝体混凝土采用 Solid65单元,坝基岩体采用 Solid45单元。挡水坝23李 昇,等M强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期图 1 人工地震波加速度时程图 2 坝体网格剖分段共计节点 3 654个,单元 2 868个;厂房坝段共计节点 4 200个,单元 3 242个;溢流坝段共计节点9 308个,单元 7 940个。在动力计算中,坝基取无质量地基,动水压力采用 W estergaard公式计算。基本荷载组合为:上游正常蓄水位水压力+
15、下游相应尾水位水压力+坝体自重+上游淤沙压力+坝基面扬压力+地震荷载。依据现行抗震规范规定,混凝土动态强度和动态弹性模量的标准值较其静态标准值提高 30%,混凝土动态抗拉强度取为动态抗压强度标准值的 10%。基岩动态变形模量及动态抗剪断指标取静态值。坝体碾压混凝土力学指标为 C20,静弹模 2515 GPa,动弹模 33115 GPa,泊 松比 01167,动 态抗 拉强 度31302MPa。213 计算结果及分析在地震荷载作用下,重力坝会产生较大范围的拉、压应力集中区。这些应力集中区产生于地震过程中不同时刻,且拉、压应力交替产生。这种循环应力状态对混凝土材料非常不利。部分混凝土会产生损伤和弱
16、化,使结构相应部位出现开裂并进一步发展。图 3图 5给出了 3种典型坝段在不同地震加速度下的裂缝发展状态。对于挡水坝段,当 ah=0150g时,坝体在坝踵处和下游面反弧段出现裂缝,裂缝位于坝面上;当 ah=0155g时,在坝头上、下游面均出现裂缝,且开始向坝体内部延伸;当 ah=0157g时,在坝头上、下游面裂缝区域面积进一步扩大,并有上下游贯穿的趋势,但整个坝头仍能保持一定整体性;当 ah=0160g时,坝头处裂缝完全贯穿,裂缝向坝体内部迅速扩展,根据计算过程显示,在 ah=0160g时,非线性计算不收敛,说明此时在一定荷载条件下,结构变位趋于无穷。图 3 挡水坝段不同峰值加速度下破坏形态图
17、 4 厂房坝段不同峰值加速度下破坏形态对于厂房坝段的裂缝发展方式为:坝踵、下游面反弧段坝踵、下游面反弧段区域扩大、上游折坡处裂缝区域面积进一步扩大下游面反弧段裂缝贯穿。溢流坝段裂缝发展方式为:坝踵、边墙上表面坝踵、边墙区域扩大坝踵、边墙区域扩大、溢流堰面坝踵、导墙贯穿、溢流堰面裂缝内部延伸。24李 昇,等M强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期图 5 溢流坝段不同峰值加速度下破坏形态表 1为各典型坝段抗震能力和破坏形态汇总。可以看出:从三类坝段抗震能力比较来看,挡水坝段抗震能力较弱,地震超载系数为 2162(峰值加速度为0160g),溢流坝段抗震能力最强
18、,地震超载系数为3128(峰值加速度为 0175g);从各坝段抗震薄弱部位来看,挡水坝段和厂房坝段主要集中在坝头处,溢流坝段则表现为溢流堰面和下游边墙;从各坝段破坏发生时间来看,三类坝段的破坏均发生 815 s以后,由于输入两向地震波峰值均出现在 t=1 7 s内,说明考虑了混凝土材料的非线性后,破坏的发生存在一定的滞后性。图 7 不同地震作用下坝顶顺河向位移时程曲线表 1 各典型坝段破坏模式典型坝段坝型顺河向峰值加速度/g发生时间/s破坏形态挡水坝段01608156坝头上下游裂缝基本贯穿,坝体上游坝面折坡处和下游坝面出现若干条裂缝,下游坝面裂缝向坝体内部延伸约14 m厂房坝段01638164
19、坝头上下游裂缝基本贯穿,坝体上游面折坡处出现两条较大裂缝,裂缝向坝体内部延伸约 40 m溢流坝段01758176裂缝沿闸墩与坝体交界面向下游基本贯穿,边墙出现较大范围裂缝,裂缝向坝体内部延伸约 25 m3 重力坝破坏过程分析由于混凝土材料的非线性,重力坝破坏是一个塑性区逐渐累计,渐进破坏的过程。对重力坝破坏过程的分析,需要找出各典型坝段的抗震关键部位和薄弱环节,为采取配筋等工程措施提供依据。图 6给出了超载系数为 2162(峰值加速度为 0160g)时,挡水坝段坝体开裂演化趋势。图 6 挡水坝段开裂状态演化趋势从图 6可以看出:t1时刻,在坝头下游面反弧段中间附近和坝踵处首先出现裂缝;t2时刻
20、,反弧段张开裂缝向上游水平向扩展,坝踵处裂缝受压闭合,并未继续发展,同时上游坝面开始出现裂缝;t3时刻,坝头处裂缝进一步向坝体内部扩展,下游坝面陆续出现第二条、第三条裂缝;t4时刻,裂缝开始贯穿整个坝头,裂缝状态趋于复杂,混凝土应力重分布后出现二次开裂。在地震时程中,坝头处裂缝随坝体震动张开和闭合,坝体最终由于张拉裂缝而导致破坏。通过上述计算分析可以看出,坝踵部位由于应力集中最先导致裂缝的产生,但是随之产生的应力重分布不利于裂缝向坝体内部的扩展,裂缝多为单向闭合裂缝,因此坝踵部位裂缝范围很小,不会对坝体的安全起决定性的影响。而坝头部对地震动的响应最为敏感,裂缝自下游反弧段开裂向上游面迅速扩展,
21、在 t5=618 s时贯穿整个坝头,这部分的损伤将直接导致坝体破坏,此外上游折坡部位也出现了一定范围的裂缝。图 7 给出了超载系数 为 215(峰 值加速度为0157g)和超载系数为 2162(峰值加速度为 0160g)时,挡水坝段坝顶顺河向位移时程曲线。从图 7(a)可以看出,当地震超载系数为 215时,顺河向位移幅值在震动初始阶段逐渐增大,在 t=8108 s时,顺河向位移达到最大值 11319 mm,以后坝的位移幅值逐渐减小,这说明在 t=8108 s以后,25李 昇,等M强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期整个坝头虽然前后摆动,但坝头处裂缝并未
22、进一步发展,结构仍能保持一定的整体性。图 7(b)为地震超载系数为 2162时,坝顶顺河向位移时程曲线。从图中可以看出,在 t=712 s后顺河向位移也发生了明显的突变,幅值不断上升。在 t=8156 s时,顺河向位移达到 32315 mm,非线性计算不收敛,位移有迅速增大的趋势,可以认为坝体已经破坏。4 结 语本文采用非线性模型对强震作用下重力坝破坏模式进行了数值模拟。对三类典型坝段地震超载性能进行计算,得到了各类坝段在不同地震烈度下的破坏形态。通过对重力坝地震破坏过程、坝体开裂演化趋势分析,得出以下结论。(1)强震作用下,重力坝坝身拉、压应力交替产生,这种循环应力对混凝土这种拟脆性材料非常
23、不利,导致坝体部分区域出现混凝土开裂,并随地震过程进一步发展。(2)重力坝各类坝段地震超载能力不同。计算结果显示各类坝段地震超载系数在 215 315之间,挡水坝段地震超载能力较弱,溢流坝段超载能力较强,这与各类坝段沿地震波方向结构刚度相关;不同典型坝段地震破坏形态不同,挡水坝段和厂房坝段的破坏形态主要表现在坝头处上下游面裂缝贯穿,而溢流坝段破坏形态表现为闸墩和边墙处裂缝贯穿。(3)重力坝破坏是坝身裂缝累积、渐进破坏的过程。在进行非线性动力分析的同时,应判断各类裂缝形态及裂缝发展趋势,找出其地震超载敏感区。以挡水坝段为例,坝踵部位首先出现裂缝,但裂缝多为单向闭合裂缝,随之产生的应力重分布不利于
24、裂缝向坝体内部的扩展,因此坝踵部位裂缝不会对坝体的安全起决定性的影响。而坝头部位对地震动的响应最为敏感,此处裂缝多为张开裂缝,随着地震超载系数的增加,裂缝自下游反弧段开裂向上游面迅速扩展并贯穿整个坝头。(4)在实际工程中,要加强大坝的强震观测和监控,在抗震关键部位和薄弱部位进行预应力配筋和锚索加固等工程措施,以提高大坝的抗震安全性。参考文献:1 Lee J,FenvesG L1 A plastic-danger concrete model for earthquakeanalysis ofdams J 1 Earthquake Engineering and StructuralDynam-
25、ic,1998,27:937-9561 2 张社荣,卢向丽 1 拱形重力坝地震动力反应分析 J1 水力发电学报,2004,4(2):65-681 3 陈厚群,侯顺载,涂 劲,等 1 丰满大坝抗震动力分析和安全评价 J1大坝与安全,1999,(3):28-351 4 张国新,金 峰,王光纶 1 用基于流行元的子域奇异边界元法模拟重力坝的地震破坏 J 1工程力学,2001,18(4):18-271 5 程尧平 1 混凝土重力坝整体抗震安全性研究 D 1 天津:天津大学,20081 6 范书立 1 混凝土重力坝的动力模型破坏试验及可靠性研究 D 1大连:大连理工大学,20071(责任编辑 欧阳越)#
26、简 讯#天津市水务局水科院与澳大利亚环境生物技术合作研究中心签署合作框架体系 日前,澳大利亚环境生物技术合作研究中心(简称 EB-CRC)执行总裁兼国际水协主席戴维#卡门博士、澳大利亚锁磷剂集团执行总裁罗伯特#舒特马及国际水协北京办公室负责同志一行抵津,与天津市水务局水科院进行座谈交流,建立并签署合作框架体系。天津市水务局水科院与 EBCRC签署了5科研机构合作及科研人员学术交流谅解备忘录6,双方确定了合作领域,搭建起了良好的平台,以便扩大加强双方各种合作和交流,为双方经济与社会利益服务。同时,戴维#卡门博士还将利用其在国际水务领域的广泛影响力以及 EBCRC拥有的知名度,积极协助天津水科院与
27、新南威尔士大学蓝藻生物研究中心、西澳大利亚大学水研究中心以及荷兰瓦格宁根大学水生态研究中心等国际知名科研机构在蓝藻、水生态平衡及城市水环境治理等领域的合作研究。通过以上国际合作,可以显著提升天津水科院在水环境、水生态及水资源领域的科研水平,快速跻身先进水利科研院所的行列;同时有效整合国内外水务领域的科技资源,为高水平专业技术人员创造良好的科技研发及交流平台,并将水科院自主知识产权技术推广到国外,实现/合作共赢0。澳大利亚环境生物技术合作研究中心(EBCRC)是澳大利亚政府为建立国家创新体系,增强竞争能力而成立的环境生物领域的集产、学、研于一体的大型合作研究中心,主要从事微生物污染的快速检测及治理领域的应用和基础研究,以及水生系统的生物膜控制、水及废水处理,拥有生物膜、微生物检测与控制(包括藻类的监测及藻毒素的快速准确测定)及环境生物工程领域方面的众多先进技术。未来 5年内,EB-CRC将获得澳大利亚联邦政府 5 000万澳元(约合 3125亿人民币)的财政资助。(摘自/中国水利 国际合作与科技网02009年 12月 21日)26