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《大连理工大学》 2005年
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碾压混凝土诱导缝断面强度、断裂的试验研究和数值模拟

张小刚  
【摘要】:众所周知,温度裂缝是碾压混凝土拱坝的最大危害之一,为了防止坝体中无序温度裂缝的产生,国内外普遍采用诱导缝这种分缝形式。正确地了解诱导缝所在断面的等效强度和断裂特性、合理设计诱导缝尺寸及留设位置是对施工期坝体温度应力进行准确控制的前提。但目前关于诱导缝开裂机理的试验和理论研究远不能满足实际应用的需要,实际拱坝工程中诱导缝的尺寸、缝距、位置、形式、以及成缝方式等都没有形成统一的认识。针对目前实际拱坝工程中诱导缝等效强度依然偏高的事实,我们必须改进诱导缝设计水平,使得其等效强度能进一步地降低,符合工程实际需要。以上问题成为了急需解决的核心困难。本文结合国家自然科学基金项目《碾压砼坝诱导缝断面等效强度研究》(50179002),从诱导缝的试验研究、断裂分析、等效强度计算模型和有限元数值模拟等几个方面进行了以下的研究内容: 1 碾压混凝土诱导缝轴拉试验研究 研究不同诱导缝形式、不同削弱度、不同诱导片数量和间距等因素对不同尺寸轴拉试件诱导缝等效强度的影响规律。试验工作和主要结论如下: 1) 分析了诱导缝周围应变随着荷载增大的发展规律,得到了等效强度f_(eq)随诱导缝形式、削弱度等因素的变化规律,拟合了各种试件诱导缝等效强度随削弱度变化的计算表达式。研究表明:随着削弱度的降低,等效强度值增加;f_(eq)随削弱度的变化在0≤α≤1范围里为一条凹曲线,存在一个最佳削弱度,使得f_(eq)与剩余本体强度值(1-α)f_t的差值最大。 2) 研究了穿透型诱导缝分别为一片、两片和四片的等效强度随削弱度的变化规律。试验表明,在相同削弱度下,诱导缝由一片布置改为两片对降低等效强度有很大的作用。对于多块诱导片,诱导缝之间的间距对等效强度也有较大的影响,得到了诱导缝等效强度随间距变化的拟合公式。 3) 对含不同削弱度的边缘型诱导缝试件进行轴拉试验,以研究实际拱坝中边缘切口对诱导缝截面开裂的影响程度。研究表明,边缘切口对削弱断面强度、引导裂缝开展方向起到了一定作用。 4) 研究了非穿透椭圆形、矩形诱导缝等效强度随削弱度的变化规律。验证了矩形诱导缝采用椭圆形简化计算的误差,并给出了该简化计算的修正系数。 2 诱导缝断裂分析 对于本文的试验试件,采用混凝土软化规律确定了诱导缝缝端虚拟裂纹粘聚力分布,得到了穿透型和边缘型诱导缝修正解析解模型,在此考虑了试件边界的影响。该模型克服了虚拟裂纹模型在分析碾压混凝土诱导缝裂纹扩展时不能真实体现缝端应力集 大连理工大学博士学位论文 中的弱点。应用以上模型,计算了穿透型诱导缝和边缘型诱导缝轴拉试件的断裂韧度, 并把抛物线粘聚力模型计算结果同本文模型计算结果进行了比较,验证了本文模型的可 靠性。对于非穿透椭圆形诱导缝试件,推导了它的应力强度因子的计算方法,该方法也 考虑了试件边界的影响。运用椭圆形诱导缝试件的断裂韧度推导出相同试件尺寸的非穿 透矩形诱导缝的断裂韧度;在得到其相应修正系数之后,进一步地计算了不同试件尺寸 的非穿透矩形诱导缝的断裂韧度,这就为本没有理论解的非穿透矩形诱导缝断裂韧度的 计算指明了简单有效的方法。 3诱导缝等效强度计算模型 对两种尺寸的碾压混凝土三点弯曲梁进行试验,获得了荷载尸与裂纹口张开位移 日尤矽全曲线,分析了碾压混凝土的失稳断裂韧度、起裂断裂韧度和裂缝亚临界扩展量等 一系列空白参数。在得到这些断裂参数之后,从非线性应力场和能量释放率角度将这些 参数引入到诱导缝等效强度的计算中去,把实际拱坝诱导缝简化为无限大板穿透裂缝体 和无限大体深埋椭圆裂缝体,分别建立了碾压混凝土拱坝诱导缝等效强度的非线性断裂 模型和断裂能量分析模型,并结合试验得到的穿透简化和椭圆简化的修正系数,对这两 种模型的结果进行了修正,从非线性应力场和能量释放率角度明确了诱导缝的起裂、稳 定扩展和失稳扩展的计算方法,不同模型计算结果进行了相互比较。并用有限元和工程 实际观测值验证了模型的可靠性,深化了诱导缝的设计水平。 4穿透诱导缝半解析有限元数值模拟 在诱导缝裂纹尖端采用解析超级单元,该单元能够准确描述裂纹尖端应力场和位移 场,将该超级单元与普通单元相结合,在单裂纹平面半解析有限元程序基础上,进一步 扩展程序功能,用于分析多裂纹平面问题。首先用碾压混凝土三点弯曲梁的试验实测 几C从口D曲线和双K断裂参数结果验证了有限元程序的可靠性。接着把拱坝诱导缝简 化为无限大板穿透多裂纹模型,利用试验测得的碾压混凝土断裂参数,分析了施工期不 同高程诱导缝等效强度值和不同诱导缝尺寸、间距对其等效强度的影响规律,得到一些 实际工程应用结论。并进一步研究了拱坝中诱导缝的布置间距、设置位置等,对实际拱 坝中诱导缝的设计给出了一些参考意见。 关键词:碾压混凝土拱坝;诱导缝;等效强度;轴拉试验;断裂韧度;虚拟裂缝;半 解析有限元法
【学位授予单位】:大连理工大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2005
【分类号】:TV642.2;TV322

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【引证文献】
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9 郑云英;杨骁;;饱和黏弹性多孔介质动力学问题的无网格方法[A];庆祝中国力学学会成立50周年暨中国力学学会学术大会’2007论文摘要集(下)[C];2007年
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8 孙荣书;有层面碾压混凝土轴拉断裂研究[D];大连理工大学;2005年
9 凌骐;具有诱导缝的碾压混凝土拱坝温度场和温度应力分析[D];河海大学;2006年
10 葛劭卿;施工过程及底缝对高拱坝的影响研究[D];中国水利水电科学研究院;2006年
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