混凝土重力壩的地震損傷破壞模擬研究

1、混凝土重力壩的地震損傷破壞模擬研究    0 引言 近年來(lái)混凝土壩在我國(guó)得到廣泛的應(yīng)用，一大批高混凝土壩在西南地區(qū)開(kāi)工建設(shè)或即將開(kāi)工。混凝土是一種典型的非均勻材料，通常情況下混凝土都是帶初始裂紋工作的，在服役過(guò)程中還會(huì)逐漸劣化?；炷恋某休d能力、變形、破壞都與裂紋擴(kuò)展有關(guān)。其中，隨機(jī)分布的微裂紋在一定程度上控制著混凝土的抗拉、抗壓等宏觀強(qiáng)度；方向一定的宏觀裂紋會(huì)影響到混凝土的各向異性特性?；炷令惒牧系臄嗔堰^(guò)程受控于其中原有的微裂紋，微裂紋一方面影響宏觀裂紋的萌生過(guò)程，另一方面對(duì)主裂紋產(chǎn)生屏蔽與劣化的雙重作用。在荷載作用下，混凝土中的微裂紋萌生、擴(kuò)展、貫

2、通，直至產(chǎn)生宏觀裂紋，最后失穩(wěn)破壞，其破壞形態(tài)為脆性破壞，一般稱為斷裂。實(shí)際中混凝土材料的非均勻性使其損傷和斷裂過(guò)程變得更加復(fù)雜12。因此，采用非線性方法，考慮混凝土損傷開(kāi)裂后的應(yīng)力重分布，模擬大壩的損傷開(kāi)裂過(guò)程，是混凝土壩抗震安全評(píng)價(jià)的重要方向。基于斷裂力學(xué)的混凝土數(shù)值模型13主要有分離型裂紋模型和分布型裂紋模型，以研究宏觀裂紋的起裂、裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)破壞的過(guò)程為主；基于損傷力學(xué)的混凝土數(shù)值模型主要有45各向同性彈性損傷模型和各向異性彈性損傷模型，是在連續(xù)介質(zhì)力學(xué)的基礎(chǔ)上用固體力學(xué)方法研究材料宏觀力學(xué)性能的演化直至破壞的過(guò)程；基于細(xì)觀力學(xué)的混凝土數(shù)值模型6-8主要有格構(gòu)模型、隨機(jī)骨料模型、隨機(jī)

3、粒子模型、Mohamed A R9等提出的細(xì)觀模型、隨機(jī)力學(xué)特性模型等，這些數(shù)值模型將混凝土材料視為由硬化水泥漿體、粗骨料以及它們之間的粘結(jié)界面組成的三相非均質(zhì)復(fù)合材料，借助連續(xù)介質(zhì)力學(xué)推斷宏觀本構(gòu)關(guān)系，表征復(fù)雜組分介質(zhì)力學(xué)性能。目前技術(shù)條件下直接應(yīng)用細(xì)觀力學(xué)模型很難實(shí)現(xiàn)。本文首先論證了混凝土重力壩地震損傷破壞模擬中考慮材料的非均勻性和非線性的必要性，然后在宏觀均質(zhì)假定的基礎(chǔ)上，考慮混凝土材料的細(xì)觀非均勻性，采用帶殘余強(qiáng)度的冪函數(shù)下降段損傷演化模型，以及帶拉伸截?cái)嗟哪?庫(kù)倫準(zhǔn)則模擬了大壩的地震損傷破壞過(guò)程。 1 混凝土損傷計(jì)算模型 混凝土的損傷過(guò)程是一個(gè)能量耗散的不可逆過(guò)程，混凝土材料的非線

4、性是由于受力后初始缺陷不斷發(fā)展演化的結(jié)果，當(dāng)單元?jiǎng)澐值淖銐蛐r(shí)，從細(xì)觀上可以用彈性損傷本構(gòu)關(guān)系來(lái)描述單元的力學(xué)性質(zhì)。根據(jù)應(yīng)變等價(jià)原理，認(rèn)為應(yīng)力作用在受損材料上引起的應(yīng)變與有效應(yīng)力作用在無(wú)損材料上引起的應(yīng)變等價(jià)。 計(jì)算中首先將靜荷載轉(zhuǎn)化為動(dòng)荷載施加在壩體上，給予足夠的時(shí)間達(dá)到穩(wěn)定；隨后每一地震荷載步時(shí)提取應(yīng)力值和應(yīng)變值進(jìn)行損傷判斷，如該步未產(chǎn)生損傷，進(jìn)入下一荷載步；否則根據(jù)損傷值更新彈性模量重新求解應(yīng)力值和應(yīng)變值進(jìn)行損傷判斷，直到前后兩次統(tǒng)計(jì)的損傷單元差值滿足給定的收斂數(shù)值，進(jìn)入下一荷載步計(jì)算。通過(guò)對(duì)通用有限元軟件ANSYS 二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了這一過(guò)程。 2 混凝土重力壩地震損傷破壞數(shù)值模擬 2.1

5、 計(jì)算模型及計(jì)算條件 本文以印度 Koyna 混凝土重力壩為對(duì)象進(jìn)行地震損傷破壞過(guò)程模擬。該壩壩高103m，壩頂寬14.8m，壩底厚72m，上游壩坡斜率為24：1，下游壩坡斜率為1：0.725。在1967年的6.5 級(jí)強(qiáng)震中，該壩在多個(gè)非溢流壩段下游66.5m 高程折坡處和上游60.0m66.5m高程范圍內(nèi)產(chǎn)生了水平裂縫，且裂縫貫穿壩體上下游，在下游裂縫處產(chǎn)生了滲漏。實(shí)測(cè)壩基地震水平峰值加速度為0.474g，豎向峰值加速度為0.312g。 為模擬 Koyna 大壩的地震破壞過(guò)程，本文在平面應(yīng)變狀態(tài)下用ANSYS 軟件對(duì)壩體進(jìn)行了有限元網(wǎng)格離散化。壩體高程0m1m和55m68m的區(qū)域劃分精細(xì)網(wǎng)格

6、，單元尺寸為50cm，細(xì)化部分共1813 個(gè)單元，2047 個(gè)節(jié)點(diǎn)，采用文中的損傷演化模型加破壞準(zhǔn)則考慮其非線性。壩體其他部分混凝土材料視為線彈性，網(wǎng)格較粗。整體模型共5704 個(gè)單元，5800 個(gè)節(jié)點(diǎn)。 計(jì)算荷載包括自重、靜水壓力、動(dòng)水壓力和地震荷載。其中混凝土密度取為2460kg/m3，動(dòng)水壓力采用Westergard 公式計(jì)算，壩體材料阻尼采用Rayleigh 阻尼假定，阻尼比為5%，假定地基為剛性，地震波為Koyna 水平與豎直記錄，見(jiàn)圖4，分別從順河向和豎直向輸入。 2.2 不同材料屬性情況下大壩的應(yīng)力分布情況對(duì)比 傳統(tǒng)大壩應(yīng)力分析將壩體材料視為均質(zhì)線彈性，實(shí)際上由于施工技術(shù)、荷載大

7、小等的影響壩體材料是非均質(zhì)非線性的，為論證考慮混凝土材料非均質(zhì)非線性的必要性，本文比較了均質(zhì)線彈性、非均質(zhì)線彈性和非均質(zhì)非線性三種材料屬性下的大壩數(shù)值模擬結(jié)果中單元最大應(yīng)力分布情況，如圖5 所示。從圖5 可見(jiàn)：三種情況下大壩的整體應(yīng)力分布類似，高應(yīng)力區(qū)集中在上下游界面處。均質(zhì)線彈性時(shí)，大壩壩頭折坡處和壩基處的最大主拉應(yīng)力大部分在1.67MPa8.33MPa 范圍內(nèi)，最大值可達(dá)到15.0MPa，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了動(dòng)抗拉強(qiáng)度2.9MPa，此時(shí)大壩實(shí)際上已經(jīng)開(kāi)裂，應(yīng)采用非線性方法，在計(jì)算中考慮由開(kāi)裂引起的應(yīng)力重分布；非均質(zhì)線彈性時(shí)，壩頭折坡處和壩基底部的主拉應(yīng)力表現(xiàn)出不連續(xù)性，部分區(qū)域的應(yīng)力比均質(zhì)時(shí)明顯增大

8、，可見(jiàn)考慮材料的非均勻性后應(yīng)力狀態(tài)有加劇的趨勢(shì)；非均質(zhì)非線性時(shí)，大壩單元應(yīng)力的變化與前兩者相差很大，大壩開(kāi)裂后出現(xiàn)應(yīng)力重分布，致使破壞更劇烈。由此可見(jiàn)，考慮混凝土的非均勻性和非線性是很有必要的。 2.3 只計(jì)拉損傷的大壩地震破壞模擬 施加靜荷載后和動(dòng)荷載初期，細(xì)化區(qū)單元都保持線彈性，無(wú)損傷發(fā)生。1.0s 時(shí)首先在大壩壩基處產(chǎn)生損傷，壩頭折坡處下游折坡處產(chǎn)生損傷，然后壩頭折坡處上游也開(kāi)始產(chǎn)生損傷。 隨著地震動(dòng)荷載的繼續(xù)施加，壩基處首先產(chǎn)生完全損傷，但完全損傷區(qū)域小，只能形成一條小裂縫。隨后在壩頭折坡處上游側(cè)產(chǎn)生完全損傷，并逐漸向下游折坡處擴(kuò)展，形成一條完全損傷帶，即大壩的弱化區(qū)域。當(dāng)壩體單元達(dá)到

9、拉破壞且應(yīng)變達(dá)到一定要求時(shí)認(rèn)為該單元破壞，裂縫出現(xiàn)。 地震動(dòng)作用下，壩頭折坡處上游位置首先產(chǎn)生較大變形，并逐漸向下游折坡處發(fā)展，從中可以預(yù)測(cè)大壩裂縫的大概位置和特征。在地震作用下，高應(yīng)力區(qū)出現(xiàn)在壩頭折坡處上游側(cè)。隨著這些單元的大應(yīng)變產(chǎn)生拉損傷，引起力學(xué)性質(zhì)的弱化，裂縫沿著應(yīng)力集中區(qū)擴(kuò)展，裂縫的產(chǎn)生釋放了高應(yīng)力區(qū)，使大壩應(yīng)力得以重分配，高應(yīng)力區(qū)逐漸向下游發(fā)展，引起下游單元的拉伸損傷，引起剛度弱化，最后形成了一條貫穿裂縫，是導(dǎo)致大壩破壞的主要裂縫。與此同時(shí)壩體上游靠近上部的位置也產(chǎn)生了裂縫，這樣壩頭折坡處上游裂縫包圍的混凝土在地震動(dòng)作用下脫離了壩體。壩踵處也產(chǎn)生了一條狹小裂縫，但未貫穿。綜上可見(jiàn)，

10、拉損傷破壞是導(dǎo)致混凝土大壩破壞的主要原因，這也是混凝土材料的拉壓不等性造成的。該模擬裂縫結(jié)果和唐欣微2采用等效概率模型模擬的結(jié)果很相近。 2.4 計(jì)拉損傷和壓損傷的地震破壞模擬 實(shí)際上大壩破壞過(guò)程中可能同時(shí)存在拉損傷和壓損傷，拉破壞的混凝土仍可承壓，考慮到以上因素，本文進(jìn)行了計(jì)拉損傷和壓損傷的大壩地震破壞模擬，當(dāng)壩體單元同時(shí)達(dá)到拉破壞或壓破壞，且應(yīng)變達(dá)到一定要求時(shí)認(rèn)為該單元破壞，裂縫出現(xiàn)。對(duì)裂縫圖進(jìn)行分析，可見(jiàn)在拉壓損傷同時(shí)考慮時(shí)，由于拉破壞單元仍可承壓，大壩的破壞沒(méi)有只計(jì)拉損傷時(shí)嚴(yán)重，但是主要特征變化不大，大壩也是在壩頭折坡處和壩踵位置產(chǎn)生裂縫，大壩的破壞主要是由壩頭折坡處裂縫沿著應(yīng)力集中區(qū)

11、不斷擴(kuò)展而導(dǎo)致的。綜上可見(jiàn)，拉損傷破壞是大壩破壞的主要影響因素。 3 結(jié)論 本文在考慮混凝土細(xì)觀非均勻性影響的基礎(chǔ)上，采用彈性損傷本構(gòu)關(guān)系和帶拉伸截?cái)嗟哪?庫(kù)侖準(zhǔn)則模擬混凝土單元的劣化過(guò)程，并通過(guò)對(duì)ANSYS 軟件進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了這一過(guò)程。通過(guò)混凝土均質(zhì)線彈性、均質(zhì)非線性、非均質(zhì)非線性三種情況下大壩應(yīng)力的分布情況比較，說(shuō)明了在混凝土壩強(qiáng)震損傷破壞模擬中考慮細(xì)觀非均勻性和混凝土非線性的必要性。通過(guò)模擬地震作用下Koyna 混凝土重力壩的破壞過(guò)程得出：開(kāi)裂現(xiàn)象是從上游開(kāi)始的，壩踵產(chǎn)生裂紋，未貫穿，壩頭折坡處產(chǎn)生較大裂縫是導(dǎo)致大壩破壞的主要原因。這與該壩的實(shí)際震害相接近。綜上可見(jiàn)，對(duì)混凝土壩進(jìn)行

12、強(qiáng)震作用下?lián)p傷破壞全過(guò)程的模擬有助于全面評(píng)價(jià)其抗震安全性。 熱點(diǎn)論文網(wǎng)專業(yè)進(jìn)行醫(yī)學(xué)期刊代寫論文業(yè)務(wù)，并提供教育論文代寫服務(wù)，如有業(yè)務(wù)需求請(qǐng)聯(lián)系網(wǎng)站客服人員！ 參考文獻(xiàn) 1 唐春安，朱萬(wàn)成。混凝土損傷與斷裂數(shù)值試驗(yàn)M.北京：科學(xué)出版社，2003. 2 Tangchunan, Zhuwancheng. Concrete damage and fracture-numerical experimentsM. Beijing: Sciencepress,2003 3 唐欣薇?；诤昙?xì)觀力學(xué)的混凝土破損行為研究D：（博士學(xué)位論文）。北京：清華大學(xué)，2008. 4 Tangxinwei. Study on

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