混凝土重力坝的动力损伤分析

论文摘要

中国是世界上水力资源最丰富的国家之一,而西部地区是我们国家水能资源最丰富的地区,所以我国将在西南地区建设一批世界级的高混凝土坝。鉴于西部地区处于强震区,本文对混凝土重力坝在地震作用下的损伤破坏进行了深入的研究。在宏观均质假定的基础上考虑混凝土材料的抗拉非线性,基于大型通用软件ANSYS的二次开发将弹性损伤力学的本构关系以更新单元刚度的方式植入损伤计算过程中,初步建立了易于操作和实现的大坝动态损伤分析方法,并应用于工程实例卡拉水电站重力坝的地震破坏研究中。具体的内容主要包括以下三个方面：(1)数值计算的结果是否准确需要经过实际工程的检验,但混凝土重力坝属于大型工程,且遭受强震的震害实例比较少,根据有限的数据验证数值方法的准确性还存在较大的困难。为此,本文首先基于ANSYS自身的计算平台对仿真混凝土重力坝的振动台试验进行了数值模拟,主要的计算内容包括静力分析、模态分析和时程分析。由于目前仿真混凝土材料的动态性能测定方法的发展还不纯熟,所以计算的主要目的是通过模态分析得到符合重力坝基频测量值的混凝土动态弹性模量,和通过时程分析得到符合重力坝各个高程加速度测值的材料的动态抗拉强度。(2) ANSYS软件对于非线性本构的模拟能力有限,为了将更加符合混凝土损伤开裂的应力应变关系准确地植入数值计算中,本文将所用的ANSYS软件进行了二次开发。通过对ANSYS求解过程的优化,使时程计算能够随着时间和坝体受力的推进逐步调整单元的弹性模量,以拟合带残余强度的双折线损伤演化模型。用所建立的损伤计算模型分析重力坝的动态响应,将计算得到的加速度结果与振动台试验得到的坝体各个测点加速度值进行对比,给出了相差比率。深入分析了重力坝模型在不同强度地震动作用下的损伤发展以及开裂状态,给出了破坏单元的损伤发展时程图,并将分析结果同阻抗仪的损伤测量结果和宏观裂缝进行了比对,验证损伤计算方法的可行性。(3)混凝土重力坝的动力损伤分析目的是对已建或拟建的大坝施以一定强度的地震动激励,来探求随着时间推进重力坝各个部位的受力状态和损伤发展。本文根据卡拉水电站重力坝的具体工程实际,利用上文给出的损伤计算方法分析了大坝的动力灾变情况,并将计算结果与线性分析进行了对比,给出了卡拉重力坝在设计和校核地震动作用下的损伤状态。

论文目录

• 摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 高混凝土坝动力破坏数值模拟
• 1.2.2 高混凝土坝动力破坏模型试验
• 1.3 本文主要研究内容及方法
• 2 重力坝动力损伤模拟的理论基础
• 2.1 重力坝的动力分析理论
• 2.1.1 单自由度体系的运动方程
• 2.1.2 多自由度体系的运动方程
• 2.2 有限单元法的基本理论
• 2.2.1 等参单元及其插值函数
• 2.2.2 有限单元法解决工程问题的计算步骤
• 2.3 混凝土损伤的本构关系
• 2.3.1 损伤力学的基本概念
• 2.3.2 非线性计算所选用的混凝土损伤模型
• 2.4 本章小结
• 3 基于模型试验的重力坝动态材料参数选取
• 3.1 仿真混凝土重力坝的动力模型试验
• 3.1.1 模型试验的材料参数
• 3.1.2 模型动力试验的传感器布置
• 3.1.3 动力试验加载
• 3.2 有限元整体建模及静力分析
• 3.2.1 数值模型的建立
• 3.2.2 有限元静力分析结果
• 3.3 模型坝的模态分析及其材料的动弹模选取
• 3.3.1 仿真混凝土动弹模的试验研究
• 3.3.2 仿真混凝土重力坝的模态分析
• 3.4 模型坝的时程分析及材料动态抗拉强度的确定
• 3.4.1 动力时程的分析方法
• 3.4.2 时程法计算结果分析
• 3.4.3 仿真混凝土材料的动强度对坝体动力响应的影响
• 3.5 本章小结
• 4 重力坝模型的非线性损伤数值模拟
• 4.1 非线性损伤本构模型的数值实现
• 4.2 数值计算的加速度结果分析
• 4.3 数值计算的损伤结果分析
• 4.3.1 数值计算的条件
• 4.3.2 不同激励作用下坝体的应力状态
• 4.3.3 在地震波作用下坝体单元的损伤发展
• 4.3.4 各级地震波作用后重力坝整体的损伤断裂分析
• 4.4 数值分析与模型试验的对比验证
• 4.4.1 ANSYS自身非线性计算的损伤分析
• 4.4.2 变弹模算法与ANSYS自身非线性计算结果对比
• 4.4.3 数值计算与模型试验的结果对比
• 4.5 本章小结
• 5 卡拉碾压混凝土重力坝的抗震研究
• 5.1 模型建立及计算参数
• 5.1.1 数值模型的建立
• 5.1.2 材料参数和计算工况
• 5.2 卡拉重力坝的线性分析
• 5.2.1 静力分析
• 5.2.2 反应谱分析
• 5.2.3 时程分析
• 5.3 卡拉重力坝的非线性损伤计算
• 5.3.1 时程结果分析
• 5.3.2 损伤计算与线性计算的结果对比
• 5.4 本章小结
• 6 结论与展望
• 6.1 全文工作总结
• 6.2 研究工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表学术论文情况
• 致谢