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《大连理工大学》 2010年
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水库冰盖在极限状态下的变形与破坏

陶闯  
【摘要】: 根据工程经验,水库多年来采取开挖破冰槽的措施以控制极限冰压力。确认这一措施的实际效果,需要了解破冰槽对冰盖破坏过程和极限破坏力的影响机理,从而进一步通过合理的力学模型进行极限破坏的模拟和预测,因此这项研究具有重要的工程意义和学术研究价值。具体研究内容如下: 第一部分:回顾了现有的静冰压力预测模型并讨论了其适用性和局限性。基于经典冰荷载理论,分析论证了冰盖极限承载能力准则是极值冰压力分析的控制机理。基于2008年冬季红旗泡水库冰盖破坏过程的现场观测资料,通过分析提出了冰盖发生失稳破坏的假设。为了证实这一假设,设计实施了室内模拟破坏试验,试验结果表明冰盖极限破坏导致卸载,是确定极值冰压力的依据。 第二部分:压缩条件下冰试件的模拟破坏试验。以现场冰盖破坏过程为模拟对象,采用三种尺寸的原型冰压缩试件进行了系列的模拟破坏试验。试验中发现冰的破坏存在拉伸断裂、压缩型断裂及蠕变失稳等破坏模式,研究确认了加载速率、温度、偏心率、内部缺陷和预制裂缝等因素对破坏模式和极限载荷的影响。 第三部分:断裂韧度基本试验。采用标准尺寸三点弯曲试件测定S1型湖冰的断裂韧度。试验温度为-2℃和-8℃,应变速率是6.25×10-5s-1、6.25×10-6s-1、6.25×10-7s-1。这是前人很少涉及的试验参数范围。共获得36组试验数据。结果显示,断裂韧度随加载速率降低和试验温度提高而增大,而切口深度对结果的影响不显著。上述试验结果填补了相关研究的空白,为建立静冰力分析的理论与数值计算模型提供了实验证据和必要的参数。 第四部分:数值模拟。确认了冰盖的破坏机理和主导破坏模式,以及进行相关试验之后,基于通用有限元程序开展了数值模拟研究。利用ANSYS中的奇异单元对裂纹尖端的应力强度因子进行了计算。其次,对破冰槽的截面形状进行了研究,通过对不同参数下的极限冰压力的计算,得出释放冰压力的关键因素是破冰槽的深度。这些研究证明了开挖破冰槽的有效性。
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:TV135

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