混凝土重力坝裂缝扩展过程的数值模拟

摘要

实际工程中，无论采取多么严格的裂缝控制措施，混凝土重力坝仍然会带裂缝工作，因而裂缝对坝体安全产生多大的影响成为研究者们关心的问题。本文针对这一问题，将混凝土断裂力学理论应用到混凝土重力坝裂缝分析，研究带缝工作坝体的断裂特性和承载力，并为混凝土重力坝的安全性评估提供依据。
　　 裂缝扩展数值模拟因涉及网格动态调整和材料软化非线性的影响，一直以来是固体力学数值分析方面的难点。本文用大型通用有限元软件ANSYS，借助其功能强大的网格划分功能、断裂求解模块以及优化的求解器，实现了混凝土重力坝任意方向的裂缝扩展。论文开展了以下几方面的工作：
　　 1、采用混凝土I-II复合型裂缝扩展准则，利用ANSYS的apdl二次开发语言实现了二维状况下任意方向的裂缝扩展。该数值方法的主要特点为：1)利用了物理意义明确的起裂扩展准则判断裂缝的稳定性和扩展方向；2)引入了虚拟裂缝模型；3)裂缝扩展的全过程采用裂缝长度控制的方案。并利用该数值方法计算了重力坝模型的P-CMOD盐线和裂缝扩展路径，结果表明，计算结果与试验结果吻合良好，说明该方法在模拟混凝土重力坝裂缝扩展方面是有效的。
　　 2、采用上述成熟算法研究了实体重力坝上游面的不同长度、不同位置的水平裂缝对坝体断裂特性和承载力的影响。在考虑静水压力、坝体自重和裂缝水压力的情况下，计算结果表明：1)大坝断裂分析绝对不能忽略缝内水压力的作用，且坝体很有可能会发生水力劈裂现象；2)对于初始裂缝小于5m的裂缝来讲，不管其位于坝体的何处，其起裂荷载均高于坝顶高程(80m)，最大荷载约为坝高的1.1倍；3)坝体先增至其最大荷载，之后承载力缓慢减小。坝体的破坏存在一个过程，其承载力不会因为扩展形成裂缝很长(10-20m)而急剧下降；4)裂缝均向坝体底部或是下游侧发展。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 重力坝裂缝成因以及裂缝水压力研究

1.3 混凝土断裂力学的产生与发展

1.4 利用断裂力学方法分析重力坝断裂问题的可行性及优势

1.5 混凝土坝断裂数值分析概述

1.6 本文研究内容

1.6.1 带缝混凝土重力坝模型的裂缝扩展全过程数值分析

1.6.2 考虑缝内水压力的实体重力坝模型的断裂分析

2 混凝土断裂力学基本理论

2.1 引言

2.2 线弹性断裂力学理论

2.2.1 线弹性断裂力学的基本概念

2.2.2 Ⅰ-Ⅱ复合型断裂准则简介

2.3 混凝土非线性断裂力学模型

2.3.1 混凝土的应变软化曲线

2.3.2 虚拟裂缝模型(Fictitious Crack Model)

2.4 混凝土裂缝模型

2.5 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展准则

2.6 本章小节

3 混凝土Ⅰ-Ⅱ复合型裂缝扩展全过程的数值分析

3.1 引言

3.2 分离式虚拟裂缝模型的有限元分析

3.3 裂缝扩展在ANSYS平台上的实现

3.3.1 ANSYS断裂模块介绍

3.3.2 虚拟裂缝模型在ANSYS平台上实现

3.3.3 网格重划分(Automatic Remeshing)

3.4 数值模拟的计算流程

3.4.1 起裂断裂韧度KiniIC的确定

3.4.2 数值计算过程

3.5 本章小节

4 重力坝模型的裂缝扩展过程研究

4.1 引言

4.2 重力坝模型裂缝扩展过程数值模拟

4.2.1 系列1—无附加重力场的计算模型

4.2.2 系列2—有附加重力场的计算模型

4.3 结论

5 实体重力坝的断裂数值分析

5.1 引言

5.2 裂缝面处水压力的建模

5.2.1 断裂过程区水压力分布

5.2.2 整个裂缝面处水压力的数学建模

5.3 重力坝断裂特性研究

5.3.1 实体重力坝模型介绍

5.3.2 缝内水压力对坝体断裂特性的影响分析

5.3.3 不同初始缝长对坝体断裂特性的影响分析

5.3.4 不同位置裂缝对坝体断裂特性的影响分析

5.4 结论

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致 谢