混凝土静动力损伤模型及在拱坝安全评价中的应用

摘要

对混凝土拱坝安全性能进行合理评价必须以准确的材料性能、简便、合理、有效的理论模型以及合适的结构模型为基础，其中坝体材料力学性能的清楚认识和正确模拟必须依靠大量真实准确的实验成果，而合适的结构模型必须考虑结构完整性程度以及结构缺陷可能产生的影响。因此，本文针对拱坝安全评价研究中的存在的一些问题，进行了实验和理论分析两个方面的努力，系统总结了混凝土力学性能方面的研究成果，并努力转化为理论模型，以应用于工程分析中，主要研究内容包括： 1、以MTS伺服实验机为基础，自制夹具，进行了混凝土类脆性材料(砂浆材料)静力和动力剪切性能实验，得到了峰值强度、残余强度、破坏位移以及位移推力全曲线等试验成果。根据以上试验成果可得到一些有益结论，如混凝土类脆性材料剪切性能同拉、压性能类似，动力情况下强度有一定程度的增大；强度增加幅度同标准抗压强度和频率大小有关；动力滞回曲线的包络线形状同静力剪切曲线形状相似等，加深了对混凝土类脆性材料剪切性能的认识并用于检验本文损伤模型的有效性。 2、根据混凝土静、动力实验成果，以通用型的应力应变全曲线为基础，结合等效应力、等效应变和等效应变率的概念，得到了简洁、有效的静、动力损伤本构模型。此模型可以用于分析结构受到单独静力荷载作用、单独动力荷载作用和静、动力组合荷载作用时的响应情况。以FORTRAN语言为工具，编制了有限元程序，通过对剪切实验模拟分析、混凝土重力坝和拱坝的受载性能分析，验证了程序的工程可用性，为拱坝安全评价提供了科学有效的工具。 3、为保证数值分析结果的正确合理性，必须要求结构简化模型是正确合理的。目前拱坝安全性能分析中往往认为坝体结构初始状态是完整的，而事实上拱坝坝体都存在或大或小的裂缝。针对这种情况，本文根据拱坝开裂实例总结归纳了裂缝的主要影响因素，以溪洛渡拱坝为例，结合损伤力学分析方法确定了拱坝坝体可能开裂位置及大小，得到了坝体不同部位裂缝和不同开裂程度等对坝体安全情况的影响。 4、坝体结构材料性能会随时间发生变化，进而影响坝体结构的安全性能，因此只研究某一时间点的坝体结构安全程度是不全面的。为全面了解拱坝安全情况，本文在总结各种因素如冻融、碳化、水的侵蚀、长期持续荷载作用等对混凝土和基岩材料强度、弹性模量和泊松比影响的基础上，结合前人研究成果给出了长期性能估算方式，并应用于溪洛渡拱坝长期安全性能分析中。 5、采用以上研究结论和计算程序，对溪洛渡拱坝静力和动力安全性能进行了计算分析，包括完整坝体、带裂缝坝体和长期运行后坝体，分析结果显示：在所采用的计算条件下，完整坝体在静力和动力荷载作用下都具有较高的安全度；在考虑裂缝表面修复完好的情况下坝体可能裂缝对坝体安全程度影响普遍较小；坝体即使长期运行后仍然具有较高的安全度。

目录

文摘

英文文摘

前言

声明

第一章绪论

1.1工程背景与研究意义

1.2高拱坝破坏机理研究现状

1.3混凝土材料静动力剪切实验研究现状

1.4混凝土材料静动力损伤本构模型研究现状

1.5拱坝坝体裂缝及带裂缝坝体安全性能研究现状

1.6拱坝结构长期安全性能研究现状

1.7本文主要研究内容

第二章混凝土类脆性材料静动力剪切性能实验研究

2.1引言

2.2实验设备和概况

2.2.1实验装置和实验装置力学原理

2.2.2试件制备

2.2.3试件基本压、拉性能

2.2.4应力和位移测点布置

2.2.5剪切实验内容

2.2.6实验步骤

2.2.7实验工况

2.3实验结果分析

2.3.1实验现象分析

2.3.2剪切全曲线分析

2.3.3剪切强度分析

2.3.4破坏位移

2.3.5剪涨现象

2.4结论

第三章混凝土材料静动力损伤本构模型研究

3.1引言

3.2混凝土静力损伤模型和有限元实现

3.2.1混凝土静力受载特性

3.2.2单轴受拉损伤模型

3.2.3等效应变研究概况

3.2.4多轴受力损伤模型

3.2.5混凝土结构静力损伤有限元实现

3.2.6算例

3.3混凝土动力损伤模型和有限元实现

3.3.1混凝土动力受载特性

3.3.2无预加静载时混凝土动力损伤本构模型

3.3.3存在初始静态荷载时混凝土动力本构模型

3.3.4混凝土结构动力损伤有限元实现

3.3.5算例

3.4小结

第四章拱坝裂缝及对坝体安全影响程度分析

4.1引言

4.2现有拱坝裂缝现象及原因

4.2.1温度作用

4.2.2地形地质作用

4.2.3地震作用

4.2.4其它因素作用

4.3溪洛渡拱坝特点及可能裂缝情况

4.3.1气象资料

4.3.2地形地质情况

4.3.3地震情况

4.3.4溪洛渡拱坝可能裂缝情况分析

4.4不同部位裂缝危害性分析

4.4.1计算模型和工况

4.4.2计算结果分析

4.5小结

第五章拱坝结构材料长期性能研究

5.1引言

5.2混凝土材料性质劣化研究

5.2.1混凝土材料组成成份及结构

5.2.2混凝土性能的劣化机理

5.2.3混凝土长期性能分析及公式推导

5.2.4小结

5.3岩体长期性能变化研究

5.3.1岩体分类及性质

5.3.2坝基岩体性质变化影响因素

5.3.3岩体特性变化规律及确定方法

5.4溪洛渡拱坝混凝土和基岩材料特性分析

5.4.1坝体混凝土材料

5.4.2溪洛渡基岩材料

5.5小结

第六章溪洛渡拱坝安全度分析

6.1引言

6.2溪洛渡拱坝静力安全评价

6.2.1完整坝体安全评价

6.2.2带裂缝坝体安全评价

6.2.3坝体长期安全度评价

6.3溪洛渡拱坝动力安全评价

6.4小结

第七章结论与展望

7.1主要工作与结论

7.2主要创新点

7.3展望

参考文献

致谢

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