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考虑横缝非线性的高拱坝损伤开裂分析

刘鹏飞  
【摘要】:拱坝体型单薄,节约建筑材料,又具备承载力强、经济性好等优点,在我国水能资源丰富的西南地区选用率很高,而西南地区处欧亚地震带之内,属于地震频发的地区,因而拱坝的抗震问题就显得尤为突出。历史上已经发生的拱坝震害实例说明拱坝的抗震性能良好,但这些实例仅限于较低的拱坝,目前还没有高拱坝受到强震的震害实例。因此本课题从高拱坝超载能力的角度出发,结合混凝土材料在地震动拉-压循环荷载作用下的非线性特征,并考虑了高拱坝在地震前施工中形成的施工初始应力场,结合附加质量法分析了天然地震波频谱特性下的高拱坝损伤开裂特征。同时由于拱坝横缝的特殊性,如考虑横缝时会削弱坝体整体刚度,地震荷载作用下横缝间的非线性接触会影响拱坝的损伤区域,基于坝体材料塑性损伤研究的基础上对拱坝分缝,考虑横缝非线性接触下的拱坝损伤开裂分析。本次研究的主要工作有:(1)在对设计资料研究的基础上,建立坝体-地基-库水耦联系统。依据设计资料的特征水位设计坝前无水工况、死水位工况、正常蓄水位工况进行模态分析,并与以往学者计算的拉西瓦拱坝有限元模型结果进行对比,得到死水位工况下的基频差异为1.18%,与以往实验差异性小说明模型的精度及参数选取的准确性,同时不同特征水位下的各阶模态也随着坝前水位的升高呈现降低的结果,说明了附加质量法施加的正确性。(2)针对坝体混凝土在极限荷载下出现应力-应变软化非线性的特点,选择合理的非线性塑性材料本构;根据原始设计资料确定坝体混凝土在对应标号下的抗拉与抗压强度,并依据规范确定计算使用的材料参数;根据坝址的场地特点及坝工结构抗震等级选择相应的地震波,并梯度设置不同的地震工况,并与以往的模型实验进行对比,得到坝体损伤结果与以往的模型实验关于坝体薄弱部位损伤开裂的相近结果。(3)基于前期研究的基础上对坝体设置横缝,进行分缝后拱坝的模态对比分析验证,证明横缝的存在影响了拱坝结构的整体性。同时参照前期的实验设计,同时耦合坝体材料非线性因素和横缝接触因素,得到拱冠中部依旧是坝体的薄弱部位,以及各横缝在地震荷载作用下存在的开合差异性。


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