水利工程论文-拱坝的破坏分析及超载问题探讨.doc水利工程论文-拱坝的破坏分析及超载问题探讨.doc

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水利工程论文拱坝的破坏分析及超载问题探讨摘要以拱坝和周围的岩体为研究对象,采用线弹性本构模型和不同的破坏追踪方式,对破坏过程中的不同的应力状态应用不同的强度准则和功能函数,破坏过程的分析按三维随机有限元法分析可靠度指标场,从可靠度指示场中寻找并联系统中最易出现的破坏轨迹,给出其破坏形式和安全度。同时按逐步增加水的比重和提高水位两种方法给出拱坝的超载破坏过程,最后指出拱坝的超载是不现实的,也不能给出切合实际的拱坝安全性。关键词破坏分析超载可靠度拱坝拱坝的超载能力很强,但对拱坝超载能力的研究始于20世纪60年代出现了电子计算机和有限元法之后,李新民提出用机动法分析拱坝的超载能力,他的做法是在直法线假定的前提下求弹性厚壳的极限荷载,实际上,厚壳中还存在着薄膜应力,仅用铰链来描述破坏点的受力状态,过于简单化。超载试验法是另一个拱坝极限荷载的研究方法,通过模型试验,对拱坝逐渐加载到超过正常水压几倍的荷载或利用高密度的液体,通过实际观测,可以得到拱坝裂缝开展的详细情况,同时,得到拱坝从初始开裂直至彻底破坏过程中任一破坏程度的超载系数,给出一个宏观的安全指标。但是,在拱坝的正常运行中,超载是不现实的,并且拱坝的真正危险不是荷载的成倍增加,而是材料强度的不足,因此,就不能用这个指标来衡量正常运行拱坝的安全度,并且也不能反映随机性。极限强度分析中,水压保持不变,减小材料的强度,直到拱坝出现破坏,极限强度分析是从设计材料的强度剩余上观察拱坝的“超载”能力,却看不到破坏的发展过程。通过数学模型和拱坝的弹塑性应力分析,可以建立一个拱坝从初始开裂直至彻底破坏全过程的数学模型。一般在上述分析的过程中把参与分析的参量视为定值,可以得到一个逐点破坏的安全系数序列和破坏的迹线,虽然在这个破坏的过程中每点的破坏并不是独立的,但是这个安全系数序列却是离散而独立的。因此,这种方法也不能给出一个破坏程度的指标。本文阐述了一种全新的关于拱坝破坏分析的思想首先建立拱坝断裂的随机数学模型,然后进行数学模拟分析,在模拟分析的过程中把参与分析的主要参量取为随机变量,进行随机数学分析,则可以记录诸点依次破坏的概率及条件概率,得到拱坝从出现裂缝到每条裂缝开展稳定或不稳定溃坝的条件概率序列拱坝破坏轨迹的概率向量。这个由条件概率组成的概率向量中的任何一个分量不妨定义为线失效概率值都有明确的物理意义,即这个分量代表了一种破坏程度的概率。最后得到开裂稳定或达到溃坝的概率,即拱坝沿最大可能失效路径的失效概率和可靠度。但是它不同于结构的体系可靠度,体系可靠度是指结构所有主要失效模式的联合失效概率,但对于拱坝这种大型的体系来说计算其体系可靠度还不大可能,因为拱坝是一复杂的空间受力体系,每个点有不同的破坏形式,并且其节点数也非常多,因此其失效路径非常多。本文的目的在于研究拱坝一种较大可能的破坏过程,以研究溃坝的机理,并同工程上常用的超载试验相比较,分析它们之间的不同。1拱坝破坏轨迹的概念按连续体力学的概念,拱坝的破坏就是无限个不连续点的集合,然而用离散的有限元法分析连续体力学问题时,则拱坝的破坏过程就应当是有限个不连续点的集合,按三维有限元法分析拱坝的效应场、功能函数场和可靠度指标场,记录可靠度指标的最小值及相应的失效概率,在指定可靠度指标最小单元破坏的前提下,重新计算与该单元有关的刚度矩阵,组装总刚,再次计算拱坝的效应场、功能函数场和可靠度指标场,再次记录可靠度指标的最小值及相应的失效概率和条件概率,诸点进行下去,直到破坏M个单元后拱坝成为机构或开裂稳定,这M个破坏单元的几何位置就构成了拱坝的破坏轨迹,这M个条件概率的数值就构成了描写这个破坏轨迹的概率向量PF[PF1PF2PFM]1式中概率向量中的第K个分量为2当K1时为拱坝的初始开裂的概率;KM为开裂稳定或溃坝的概率;KN1<N<M为开裂程度为N的概率。如果将拱坝的开裂视为一个并联体系,则这个轨迹是并联系统中最易出现的一条。上述算法没有考虑其他的失效路径,因此得不出结构的体系可靠度,但是点的可靠度计算仍然是有意义的。因为下一步的可靠度是在上一步最小可靠度单元破坏条件下的条件可靠度,在上一步向下一步转化的过程中,由于有单元失效,因此其效应场已发生了重分布。2拱坝上任一点的破坏形式及准则函数21拱坝上任一点的破坏形式根据混凝土三轴受力情况,过镇海教授将混凝土的破坏形式归结为①拉断;②片状劈裂;③柱状破坏;④斜剪破坏;⑤挤压流动,如表1。当出现拉断和片状劈裂破坏时,该点降为二维应力状态,继续以二维应力状态参与拱坝的应力分析;当出现柱状破坏时,该点降为一维应力状态,继续以一维应力状态参与应力分析。在二维应力状态下还可以出现进一步的破坏,其破坏形式可以根据一点二维应力状态进行分析,当出现斜剪破坏和挤压流动时,该点将失去承载能力。表1典型三维破坏形式的划分破坏特拉断柱状破坏片状劈裂征主导应力Σ1Σ3Σ2,Σ3应力状态单轴Σ10Σ30二轴T/TT/CC/CΣ1≥Σ2≥0|Σ1/Σ3|≥05|Σ1/Σ3|≥005Σ2/Σ3≤02Σ2/Σ302三轴T/T/TT/T/CT/C/CC/C/CΣ1≥Σ2≥Σ3>0|Σ1/Σ3|,|Σ2/Σ3|≥01|Σ1/Σ3|≥01Σ1≥Σ2≥Σ3>0|Σ1/Σ3|,|Σ2/Σ3|01Σ1/Σ3,Σ2/Σ3≤015|Σ1/Σ3|01Σ1/Σ3,Σ2/Σ3015建议的分析方法按局标中单向弥散裂缝,物理正交异性单元处理按局标中双向弥散裂缝,物理正交异性单元处理按局标中单向弥散裂缝,物理正交异性单元处理注表中T为拉应力,C为压应力。22准则函数在拱坝的破坏过程中,点的破坏准则应当根据点的实际受力状况采用相应的破坏准则。具体地说,对于未破坏而处于三维应力状态的单元,应当用混凝土材料的三轴破坏准则,对于破坏后降为二维应力状态的单元,应当用双轴破坏准则,对于破坏后降为一维应力状态的单元,应当选用单轴破坏准则。对于三维应力状态本文选用俞茂宏双剪强度准则。34式中角标T为拉应力;C为压应力;Α=FT/FC;下同。HKUPFER和KHGERSTLE5二轴一压一拉6二轴受拉G=Σ1TFT,G=Σ2TFT7对于一维应力状态时,应用最大应力强度准则。G=ΣFT8Σ为压应力时G=ΣFC923弥散裂缝拱坝的诸点破坏过程中,每当出现一个开裂破坏点后,分析中用弥散裂缝来代替单独的裂缝。当出现拉断或片状劈裂时,弹性矩阵如下10式中,,,,Η为抗剪残留系数Η=01~05。当出现柱状破坏时,弹性矩阵如下11式中I4,5,6。当出现斜剪破坏或挤压流动时,弹性矩阵为0。上述弹性矩阵都是在各自的局部坐标系中,对于不同的单元,由于主应力方向不同,局部坐标系也就不同,在进行结构矩阵的组装时,应进行坐标转换。3随机分析开裂点的分析是基于点的失效概率分析。点失效概率分析的一次二阶矩方法如下设可靠度分析的基本变量XX1,X2,XN为一组相互独立的变量,若某个变量为非正态变量,则当量正态化为正态变量。令YIXIΜXI/ΣXI,则Y=Y1,Y2,YN为相互独立的标准正态变量。记YTX。设功能函数为GXGRX,SX,将其转化为标准正态空间为GXGRT1Y,ST1Y,按迭代格式12YI1JGYYJYIGYI∑NJ1GY/YJYIYI∑NJ1GY/YJYI212求标准正态空间中的N个标准正态随机变量的演算点坐标,按距离公式Β=YTY求可靠指标,可靠度指标小于00的单元是破坏单元。在本文中取混凝土的拉、压强度指标为随机变量。即XFT,FC。在破坏追踪的过程中,根据一点的应力状态判断其失效模式,然后选择相应的准则函数进行计算。4拱坝的破坏分析某双曲混凝土拱坝,最大坝高292M,坝顶长度805M,坝顶厚度12M,坝底厚度729M。坝体采用8结点六面体单元360个,沿岸坡为6结点五面体单元80个充填,沿坝厚分为5层,
编号:201312122200265637    类型:共享资源    大小:56.67KB    格式:DOC    上传时间:2013-12-12
  
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