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高混凝土坝静动力非线性断裂与地基辐射阻尼模拟研究

潘坚文  
【摘要】:高拱坝的动力反应与抗震安全分析受多种关键因素的影响,如考虑无限地基辐射阻尼、横缝开合、坝体混凝土损伤开裂引起的非线性行为等,需综合考虑这些因素,才能较真实地反映拱坝的动力反应。论文以此为目标,开展了系列研究工作,建立了考虑拱坝地基辐射阻尼、横缝张开与混凝土非线性断裂的耦合模型,并结合工程实际,对高拱坝的抗震损伤开裂行为进行了研究。本文的主要内容与创新点有: 1.实现了弹簧―阻尼边界模型,并进行了精度验证。研究了不同坝高、基岩―混凝土弹模比(E_f/E_d)、地震条件下重力坝考虑辐射阻尼的抗震响应。一般地,辐射阻尼显著降低结构的动力反应,E_f/E_d越小,辐射阻尼效应越显著。 2.提出无质量地基模拟地基辐射阻尼的等效模型,即界面阻尼等效模型和等效结构阻尼模型,并应用于重力坝和拱坝的抗震分析,结果表明,等效模型简单易用,可近似模拟混凝土坝考虑地基辐射阻尼的地震反应。 3.在ABAQUS软件的虚结点扩展有限元(改进扩展有限元)静力功能基础上,实现了动力断裂分析功能,并应用于重力坝的强震多裂缝同时扩展研究。 4.进行了两类混凝土断裂模型和不同本构关系的比较分析,建立了基于扩展有限元法的黏聚裂缝模型(XFEM-COH)、基于有限元弥散裂缝的塑性―损伤耦合模型(FEPD)和Drucker-Prager弹塑性模型(DP)间材料参数的转化关系和应力―应变关系等效原则。通过构件和重力坝的静、动力断裂分析表明,三种模型的结构总体反应接近,但DP模型的结构承载力偏高于其他两种模型。此外,三种模型对裂缝的描述存在重要区别,XFEM-COH的裂缝为连续的曲线状分离裂缝;FEPD的裂缝为条带锯齿状;DP的裂缝则呈现片状屈服区特征。 5.建立了考虑拱坝地基辐射阻尼、横缝张开与混凝土非线性断裂的耦合模型,较真实地模拟了大岗山拱坝在设计地震条件下的损伤开裂过程。结果显示,大岗山拱坝下游面可能产生局部损伤开裂,横缝在地震中也将张开。据此,全面研究了辐射阻尼、横缝张开、混凝土断裂等因素对拱坝动力响应的影响。


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