混凝土坝中各种接触面的数值模拟方法研究及工程应用

论文摘要

混凝土坝工程横缝、纵缝，以及由于各种因素引起的混凝土裂缝是普遍存在的。这些缝面在加载过程中可能出现张开、滑移现象或保持粘结状态。对这些有缝结构进行计算分析时，接缝及裂缝状态的变化会使得接触界面的范围和界面上的应力和位移不断发生变化。如何根据已有观测数据，用数值方法模拟裂缝的产生、发展和状态变化，以及分析裂缝、浇筑层面、纵横缝等坝体内各种结合面的存在及开合变化对大坝运行性态的影响是全面把握大坝真实工作性态的重要依据。 本文的研究结合中国大唐公司项目“陈村拱坝安全度计算分析”进行，通过对接触面的开合迭代算法进行研究，实现了对接触面开合状态变化的模拟，并在该模型基础上考虑了键槽、灌浆、缝面水压、缝内充填物等的影响，使所建立的接触面模型能够模拟混凝土坝中各种接触面，可用于分析各种接触面状态变化对大坝受力和变形的影响，亦可在仿真分析中用来进行混凝土坝真实工作性态的研究。同时，利用所建立的考虑缝面水压的接触面模型对高重力坝坝踵水力劈裂展开了初步研究。 论文完成的主要工作包括以下几个方面： 1．模型及计算方法研究方面：①建立了能模拟接触面开合状态变化的零厚度接触面模型，并给出了模型中法向刚度系数和切向刚度系数的取值范围；②在接触面模型中考虑裂缝填充物的影响，模拟填充物引起的裂缝开度逐年递增；③推导了梯形、三角形、球面键槽等不同形式键槽模型的应力应变关系，在零厚度接触面单元中加入了键槽模型，提出了键槽面接触后不发生滑动的条件，并且对键槽面接触后发生相对滑动的数值模拟方法进行了初步探讨；④通过对精细键槽模型进行的大量计算，给出不同体形参数的梯形键槽的剪切刚度系数建议取值。 2．程序编制方面：①在程序中建立接触面单元模型；②建立了验证算例，验证本文接触面单元的正确性和收敛性，并分别对开合迭代模型、考虑裂缝填充物的接触面模型和带键槽的接触面模型进行了验证。 3．基于全过程仿真分析的陈村拱坝裂缝分析及安全度评估：将所建立的接触面单元用于模拟陈村拱坝坝段间横缝、一二期混凝土结合面，以及坝体主要裂缝，通过对陈村拱坝进行从施工期到运行期的全过程仿真分析，得出接缝、裂缝在气温、水压等作用下开合变化过程，由此可以研究横缝和坝体主要裂缝对大坝运行性态的影响，并在全面掌握大坝真实工作性态的情况下对整坝进行安全度评估。计算表明，裂缝的开合状态与时间和位置相关：裂缝表面

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 工程背景与研究意义
• 1.1.1 陈村混凝土重力拱坝裂缝情况
• 1.1.2 混凝土坝的裂缝、接缝开裂情况及其对大坝运行性态的影响
• 1.1.3 本研究的意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 裂缝模型研究进展
• 1.2.2 接缝单元模型的研究进展
• 1.2.3 混凝土坝水力劈裂研究现状
• 1.3 论文的主要工作
• 1.4 论文的主要创新点
• 第2章 混凝土接触面模型及开合模拟
• 2.1 接触面单元模型
• 2.1.1 二维接触面单元
• 2.1.2 三维接触面单元
• 2.2 接触面单元破坏及开合判断准则
• 2.2.1 未开裂单元的开裂准则
• 2.2.2 已开裂单元的开合判断准则
• 2.3 接触面单元的开合迭代
• 2.4 键槽模型
• 2.4.1 朱伯芳有限厚度带键槽的三维接缝单元模型
• 2.4.2 改进的带键槽接触面模型
• 第3章 接触面模型的程序实现和测试
• 3.1 接触面模型的程序实现
• 3.1.1 接触面刚度的选择
• 3.1.2 梯形键槽的刚度系数取值
• 3.1.3 灌浆的模拟及实现
• 3.1.4 缝面水压作用的模拟及实现
• 3.1.5 填充物对接触面单元开度变化的影响模拟
• 3.1.6 SAPTIS程序
• 3.1.7 接触面单元相关程序流程图
• 3.2 接触面模型验证
• 3.2.1 验证算例一
• 3.2.2 验证算例二
• 3.2.3 验证算例三
• 3.2.4 验证算例四
• 3.2.5 验证算例五
• 第4章 基于全过程仿真分析的陈村拱坝裂缝分析及安全度评估
• 4.1 工程概况
• 4.2 计算模型及参数
• 4.3 裂缝成因分析
• 4.4 裂缝及横缝开合过程
• 4.5 裂缝存在及开合变化对大坝变形的影响分析
• 4.6 非线性计算及整坝超载安全系数
• 4.6.1 计算说明
• 4.6.2 不同水位条件下整坝的非线性计算结果
• 4.6.3 整坝超载计算结果
• 4.7 小结
• 第5章 高混凝土重力坝坝踵水力劈裂研究初探
• 5.1 问题的提出
• 5.2 混凝土水力劈裂试验研究
• 5.3 水力劈裂试验的数值模拟及验证
• 5.4 高重力坝坝踵水力劈裂数值分析
• 5.5 从坝踵水力劈裂问题看高混凝土重力坝的断面设计准则
• 第6章 结论和展望
• 6.1 研究成果及结论
• 6.2 研究工作的不足及展望
• 参考文献
• 攻读博士学位期间参与的主要研究工作
• 攻读博士学位期间发表的文章
• 致谢