地震作用下混凝土重力坝坝踵裂缝内水压变化规律研究

论文摘要

近几年来,混凝土重力坝坝踵裂缝问题一直是研究的重点,而关于高混凝土坝坝踵裂缝水力劈裂更是引起国内外学者的重视。本文基于ADINA有限元软件,建立数值分析模型,首先研究了混凝土坝坝体开裂问题,在此基础上,人为地在开裂位置设置不同长度、不同位置、不同方向的裂缝,分析裂缝的存在对重力坝结构刚度的影响,重点研究了地震作用下,裂缝及裂缝内水体的特性(运动规律及水压)的变化规律。本文主要研究工作及结论如下:(1)选择工程实例,建立二维数值分析模型,采用ADINA软件提供的混凝土材料开裂模型,研究了混凝土坝坝体开裂情况。在此基础上在开裂位置设置不同长度不同方向不同位置的裂缝,研究了裂缝存在对坝体自振频率的影响。结果表明,对于坝踵相同角度的裂缝,随着长度的增长,坝体自振频率降低;而对于相同长度相同角度的裂缝,随着裂缝位置远离坝踵,坝体的自振频率就越大;对于相同长度相同位置的裂缝,随着裂缝角度的增大,自振频率也会逐渐增大。(2)基于ADINA流固耦合功能,将裂缝内水体与库水作为整体,分别建立固体单元和流体单元,研究了在地震作用下重力坝坝踵不同长度、不同方向的裂缝及裂缝内水体特性的变化情况。结果表明,裂缝闭合,水体流速方向指向裂缝口,即就是水体向裂缝外排出;裂缝张开时,水体流速方向指向裂尖,即就是水体向裂缝内浸入。同时,在裂缝闭合量最大和张开量最大时,裂缝内流速接近于0。而在同一条裂缝内,缝内横截面中心点处的流速沿着裂缝从裂缝口(10mm处)到裂尖逐渐减小。(3)在地震荷载作用下,裂缝长度和方向不同,裂缝口张开宽度时程变化情况也不同。对于水平裂缝,随着裂缝初始长度的加大,裂缝口处的张开宽度会增大。对于斜裂缝,随着裂缝角度的增大,裂缝口张开位移减小。同时,在裂缝闭合时,随着裂缝角度的增大,裂缝体积变化量减小,但是水压反而增大。而随着裂缝长度的增长,裂缝体积变化量明显增加,同时水压也会相应的增大。(4)相同角度裂缝,随着裂缝长度越长,距裂缝口处同样距离处的最大水压越小,同时从裂缝口到裂尖的水压变化幅度也增加;相同长度裂缝,随着裂缝角度越大,距裂缝口处同样距离处的最大水压越大,同时随着裂缝角度的增大,从裂缝口到裂尖的水压变化幅度也增加。最后计算了最大水压出现时刻的裂缝尖端应力强度因子。结果表明,随着裂缝长度的增长,裂缝尖端所产生的K_I不断增大, K_II也不断增大,相应的K_e不断增大。这说明裂缝长度越长,裂缝越不稳定;随着裂缝角度的增大,裂缝尖端所产生的K_I不断减小,而K_II不断增大,相应的K_e也不断减小。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究的目的和意义
• 1.2 国内外研究进展
• 1.2.1 重力坝地震开裂研究
• 1.2.2 重力坝动力分析研究进展
• 1.2.3 裂缝内水压研究进展
• 1.3 本文研究的主要内容
• 第二章 重力坝动力分析的有限元方法
• 2.1 混凝土开裂分析的理论基础
• 2.1.1 混凝土弹塑性本构模型基本理论
• 2.1.2 ADINA 中的混凝土模型
• 2.1.3 混凝土的开裂分析模型
• 2.2 地震分析的有限元法
• 2.2.1 结构动力学基本理论
• 2.2.2 模态分析
• 2.3 库水-坝体-坝基动力相互作用分析方法
• 2.3.1 ADINA 的FSI 流固耦合
• 2.3.2 ADINA 的势流体
• 2.4 本章小结
• 第三章 重力坝开裂对坝体动力性能影响分析
• 3.1 前言
• 3.2 重力坝开裂分析
• 3.2.1 ADINA 中的混凝土模型参数输入
• 3.2.2 求解方法及收敛准则
• 3.2.3 实例选取及有限元模型
• 3.2.4 开裂计算结果分析
• 3.3 重力坝开裂对坝体动力特性的影响
• 3.3.1 有限元模型
• 3.3.2 自振频率结果分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 地震作用下重力坝坝踵裂缝内水压分布规律
• 4.1 引言
• 4.2 建立模型
• 4.3 地震荷载作用下裂缝内水流的运动特性分析
• 4.3.1 裂缝内水体运动的模拟
• 4.3.2 从裂缝口到裂尖的速度变化规律
• 4.3.3 裂缝张开位移变化与速度变化的关系
• 4.4 重力坝地震作用下裂缝内水压变化规律研究
• 4.4.1 裂缝口处张开宽度时程变化规律
• 4.4.2 裂缝体积变化规律
• 4.4.3 裂缝内水压变化规律
• 4.4.4 裂缝体积变化与最大水压间的关系
• 4.5 裂尖应力强度因子变化规律
• 4.5.1 裂尖应力强度因子计算方法
• 4.5.2 复合裂缝稳定判据
• 4.5.3 不同长度及方向的裂缝尖端应力强度因子变化规律
• 4.6 本章小结
• 第五章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 作者简介