考虑横缝影响的拱坝地震损伤分析与抗震设计

摘要

随着社会经济的发展，我国将在西部地区建设一批300米级的超高拱坝，这些大坝所在地区山高谷深、岸坡陡峻、河道狭窄且地处高地震烈度区，对拱坝的抗震设计提出了新的挑战。除了满足常遇和偶遇地震时拱坝结构抗震安全性能的要求外，罕遇地震下的拱坝结构安全性能评价对保障流域生命财产安全尤为重要。按照抗震设计的两阶段设计思想，罕遇地震下拱坝结构将表现出强非线性响应和损伤渐进累积发展的特征，其精细化分析属于学科前沿课题。拱坝坝体横缝非线性和材料非线性及其耦合作用被认为是影响强震作用下拱坝响应的重要因素，相关课题的研究具有重要的理论意义和实用价值。 论文在综述拱坝抗震分析研究现状的基础上，详细介绍了缝接触单元模型和动接触力模型的基本原理，对动接触力法进行了改进，使其能通过在缝内设置抗拉钢筋来控制横缝开度，实现了在ABAQUS有限元分析程序中横缝接触特性的模拟；介绍了利用损伤理论来模拟混凝土材料非线性的基本方法，采用规范给出的混凝土应力应变关系曲线，根据连续介质损伤理论推导出单轴抗拉的损伤演化方程，并将其与具有典型代表性的几种损伤演化方程进行了比较，分析各自的特点和适用范围，验证了ABAQUS有限元分析程序中混凝土损伤塑性模型的合理性；以锦屏一级拱坝抗震设计为研究对象，考虑横缝非线性和材料非线性，进行了多种工况的地震响应分析，跟踪地震作用下横缝的张开过程，深入研究横缝开合效应对坝体应力分布和损伤的影响以及不同横缝类型对横缝变形特性的影响；基于两级设防的抗震设计思想，将性能设计的方法引入到拱坝的抗震设计中，分别考虑社会目标性能和业主目标性能，对锦屏一级拱坝进行了抗震设计。论文所得成果对今后拱坝的抗震设计研究具有重要的参考价值。

目录

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致谢

1绪论

1.1拱坝结构特点与建设历史

1.2研究背景及意义

1.3混凝土拱坝动力分析中的非线性特性

1.3.1拱坝横缝非线性

1.3.2混凝土材料非线性

1.4研究内容和主要工作

2拱坝横缝非线性模拟理论和方法

2.1联结单元模型

2.1.1接触单元模型的几何特征

2.1.2单元刚度矩阵

2.1.3缝接触单元的本构模型

2.2动接触力模型

2.2.1显式有限元的内点计算方法

2.2.2动接触力模型计算过程

2.2.3动接触力模型改进方法

2.3 ABAQUS横缝模拟技术

2.3.1接触定义

2.3.2接触算法

2.4小结

3混凝土材料的损伤分析

3.1损伤力学的基本原理

3.1.1损伤的研究方法

3.1.2损伤变量与有效应力

3.1.3等效性假设

3.1.4损伤演化方程

3.2混凝土损伤分析

3.2.1混凝土应力应变全曲线损伤分析

3.2.2基于应力应变曲线的混凝土损伤演化模型

3.2.3单轴受拉损伤演化方程的推导

3.2.4各种损伤模型比较

3.3 ABAQUS混凝土损伤塑性模型

3.3.1基本原理

3.3.2基本功能

3.3.3算例分析

3.4小结

4锦屏一级拱坝非线性地震反应分析

4.1以往的研究成果

4.2拱坝地震作用的有限元模拟方法

4.2.1静动组合计算处理方法

4.2.2动水压力的处理方法

4.2.3基本计算参数和工况

4.3有横缝高拱坝的地震动力响应

4.3.1横缝在地震作用下的变形特性

4.3.2横缝对坝体位移、应力及损伤的影响

4.2.3不同横缝结构对横缝非线性特性的影响

4.4小结

5基于性能的拱坝抗震设计

5.1抗震设计的目标性能

5.1.1地震水准

5.1.2性能水准

5.1.3目标性能

5.1.4大坝抗震设防水准和相应的性能目标

5.2拱坝抗震性能研究

5.2.1最大设计地震动下的抗震性能

5.2.2极限地震下的抗震性能

5.3拱坝横缝抗震设计

5.3.1目标性能

5.3.2抗震设计

5.3.3性能评估与实际性能水平

5.4小结

6结论与展望

参考文献