（水工结构工程专业论文）碾压混凝土坝钢纤维混凝土抗震加固措施研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 进入2 1 世纪，西部大开发和“西电东送”战略的实施促进了我国水电能源开发和 水利工程建设的空前发展。由于我国7 0 以上的水利资源分布在地震活动频繁剧烈的西 南地区。据统计，在库容超过1 亿i r a 3 的大坝中，约有4 0 0 , 6 修建在地震烈度7 度以上地 区，有1 3 修建在8 度以上地区。因此，大坝的抗震安全性是我国大坝设计中最关键的 问题之一。有效的工程措施对于改善大坝的安全性能，增强其抵御荷载的能力等方面可 以发挥很好的作用。 本文以金安桥碾压混凝土重力坝为研究背景，从振动台动力模型试验和非线性有限 元分析两方面，对碾压混凝土重力坝钢纤维混凝土的抗震加固问题进行了研究。具体地， 论文主要研究了以下三方面内容： 1 、为了正确选择反映各阶段相似关系的钢纤维混凝土模拟材料，深入研究了钢纤维 混凝土特性并进行了构件试验，分析比较了其抗压强度、抗拉强度以及动力特性。试验 结果表明钢纤维混凝土抗拉强度较同等级素混凝土高，动荷载作用下钢纤维能阻止和延 缓裂缝的产生与发展、防止混凝土脆性断裂。在模型试验中采用了将玻璃纤维掺加到仿 真混凝土中的模拟方法。 2 、对金安桥碾压混凝土大坝动力模型试验结果进行了分析总结。研究了在坝头部 高拉应力区敷设钢纤维混凝土的试验模拟方法及其对大坝抗震安全性的具体影响。四个 典型坝段的断面模型试验分别按有无抗震措施两类情况进行考虑。同时，对试验结果分 别从加速度放大倍数、起裂加速度、坝体局部应力三方面进行了分析，试验结果表明该 抗震措施能提高坝体起裂加速度、延缓裂缝的发展、改善坝体抗震性能。 3 、进行了基于a b a q u s 的金安桥混凝土碾压重力坝挡水坝段数值分析。通过建 立二维刚性地基模型，以拉应力损伤因子为内变量，采用混凝土塑性损伤模型，分析了 坝体在地震荷载作用下由拉应力引起的损伤破坏，研究了局部采用钢纤维混凝土这种抗 震措施的具体效果。研究了三种钢纤维体积率与三种钢纤维混凝土使用区域方案不同组 合下坝体裂缝的等效宽度和扩展深度、位移响应以及坝头部起裂加速度的变化规律。结 果表明钢纤维混凝土抗震措施的施加，可以提高坝头部起裂加速度、减小坝体裂缝宽度 和深度。 关键词：碾压混凝土重力坝；抗震措施；铜纤维混凝土；动力模型实验；a b q o s 塑性损 伤模型 碾压混凝土坝钢纤维混凝土抗震加固措施研究 s t u d yo fr c c d a m ss t r e n g l h e n e dw i t hs t e e lf i b e rr e i n f o r c e d c o n c r e t ei nm o n o l i t hf o rs e i s m i cr e s i s t a n c e a b s t r a c t a sar e s u l to ft h es t r a t e g e t i cd e v e l o p m e n to ft h ew e s t e r nr e g i o n sa n dt h ep r o j e c tf o r d e l i v e r i n ge l e c t r i c i t yf r o mt h ew e s tt ot h ee a s t , c h i n ai sd e v e l o p i n gh y d r o p o w e rr e s o u r g e sa n d c o m 缸眦= t i i 培h y d r o p o w e rp r o j e c t sv e r yq u i c k l y i nt h e2 1 s tc e n t u r y 7 0p e r c e n to ft h e s e h y d r o p o w e rr e 咖c e sd i s t r i b u t ei ns o u t h w e s t e r no fc h i n aw h i c hi sa l s ot h eh i g h - i n t e n s i t y e a r t h q u a k ea r e a t h e r ea r cm a n yd a m sw i t ha r e s e r v o i rs t o r a g ec a p a c i t yo fm o r et h a n i x l 0 8 m j t h es t a f f s t i c ss h o wt h a ta b o u t4 0p e r c e n to ft h e s ed a ms i t e s 龇i s m i ci n t e n s i t ya r e m o r et h a ni n t e n s i t yv i ia n d1 3p e r c e n ta r em o r et h a ni n t e n s i t yv i i s e i s m i cs a f e t yi sak e y p r o b l e mi nt h ed e s i g no fd a m s e f f e c t i v es t m c t u i a lm e a s 蝴a r ev e r yu s e f u li ni m p r o v i n g t h e s a f e t yo f d a ma n di n t e n s i f y i n gt h er e s i s t a n c eo f l o a d w 曲t h ea d v a n c e m e n to f j i n a n q i a oh y d r a l l l i ce n g i n e e r i n g t h i sp a p e re s i t i e so nd y n a m i c m o d e lt e s t s t u d y a n df i n i t ee l e m e n t a n a l y s i s o ns t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ( s f r c ) - s 订e n g t h e n e ds e i s m i cm i t i g a t i o nm e a s u r e sf o rt h ed a m t h em a i nc o n t e n t sa r e o r 群i d i z c da sf o l l o w e d i e x p c r i m e n 伽s t u d yw g e 屯m a d et os t u d yt h ec h a r a c t e r i s t i c so fs f r cs oa st of i n dt h e m e t h o dt os i m u l a t et h es f r ci nt h em o d e lt e s t c o n s i d e r a t i o n ，a sg i v e nt ot e n s i l es t r e n g t h 、 c o m p r e s s i o ns t r e n g t ha n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c s i tw a se x p e r i m e n t a l l ye s t a b l i s h e dt h a t t e n s i l es 廿e n g t ho fs f r ci sal i t t l eb i g g e rt h a nt h a to f p l a i nc o n c r e t ea n dt h es t e e lf i b e ri n s i d e s f r cc o u l dp r e v e n ta n ds u p p r e s st h ec r a c ka n da v o i db r i t t l ef r a c t u r e 2 s e c t i o n a le x p e r i m e n t so f t h ed y m a n icm o d e lw e r em a d et oj i n a n q i a or c cd a ma n d t h er e s u l t so f t h ee x p e r i m e n t sw e r ea n a l y z e da n dc o m p a r e d t h ea n a l o g ym e t h o do f t h es f r c l a i dd o w ni nt h et l i g hs t r e s sr e g i o no ft h em o n o l i t ha n di t si n f l u e n c eo ne a r t h q u a k es a f e t yo f t h ed a mw e r es t u d i e d c l a s s i cs e c t i o n sw e r ei n c l u d e di t h em o d e lt e s t sa n dn o n - s e i s m i c m e a s u r ea n ds f r cm e a s u r eo fe a c hm o n o l i t hw e l ec o n s i d e r e dr e s p e c t i v e l y t h ev a r i a b l e r u l e so fa m p l i f i c a t i o na c c e l e r a t i o n 、s t a r t i n gc r a c ka c c e l e r a t i o na n ds t r e s sw e r ea n a l y z e d r e s p e c t i v e l y t h ec c 衄p 曲0 no fe x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o w e dt h em e a s t l 他c o u l dr e m a r k a b l y r e d u c et h e s t a r t i n g c r a c ka c c e l e r a t i o n , s i g n i f i c a n t l yc o n u o lt h ee x t e n s i o no fc r a c ka n d e f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea s e i s m i cp e r f o r m a n c eo f t h ed a m 3 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so ns t e e lf i b e r - s t r e n g t h e n e ds e i s m i cm i t i g a t i o nm 盘l b r l a $ f o rt h e w a t e rh o l d 堍m o n o l i t ho fj i n a n q i a or c cd a ma r ec a r r i e do u ti nt h ep a p e rb yu s i n g a b a q u s i nt h ep a p e r , d a m a g ef a i l u r ei nt h ew a t e r - r e t a i n i n gm o n o l i t ho fj i n a n q i a or c c 一一 大连理工大学硕士学位论文 d a ms u b j e c t e dt os t r o n gg r o u n dm o t i o ni ss i m u l a t e db yap l a s t i c - d a m a g em o d e lb a s e do n d a m a g ei n d e xv a r i a b l e so ft e n s i l eb u i 络s t h ee f f e c t so fs f r ct os t r e n g t h e nt h ed a ma r e s t u d i e db y - u s i n gt h r e ed i f f e r e n td i m e n s i o n so fs f r cz o n e sa n dt h r e ev o l u m er a t i o so fs f r c a c c o r d i n gt ot h ea b o v ec o m b i n a t i o no fs f r c ss p p l i e dz o n e sa n dv o l u m er a t i o s t h ev a r i a b l e m l e so fe q u i v a l e n tc r a c kw i d t h , c r e e kp r o p a g a t i o nd e p t kd i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea n ds t a r t i n g c r a c ka c c e l e r a t i o na r ca n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h ec o m p a r i s o no fc a l c u l a t i o nr e s u l t ss h o w s 也e m e a s u r eo a nr e m a r k a b l yr e d u c et h ed a m a g ez o n e ，s i g n i f i c a n t l ye o n l l o it h ee x t e n s i o no f d a m a g ez 咄a n de f f e c t i v e l yi m p r o v et h ea s e i s m i cp e r f o r m a n c eo f t h ed a n l k e yw o r d s ：r c cd a m ；a s e s i m i em e a s u r e ；s t e e lf i b e rr e i n f o r c e dc o n c r e t e ；d y n a m i cm o d e l t e s t ；p l a s t i c - d a m a g em o d e lb a s e do na b a q u s i i i - 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：氢苤强 日期：碰丑：壁：当 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名： 互五五军蚕 导师签名： 边五年mh 、e 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1 研究背景 对于地处环太平洋地震带和喜马拉雅一地中海地震带之间的我国，地震频繁，是一 个多地震国家。自2 0 世纪初以来，共发生了3 0 0 0 次以上震级大于5 级的破坏性地震， 其中全世界发生的7 级以上强震中，中国占3 5 ，有3 次震级为8 5 级以上的巨大地震 发生在我国“1 。同时，大多为浅源地震，震级和频次都高，因而地震的破坏力极大。强 烈的地震会给附近地区的建筑物造成严重的损坏，从而造成人民生命财产的巨大损失。 我国水力资源丰富，可用于经济开发的水电容量达3 7 8 亿l ( i r ，居世界首位，进入 2 1 世纪，我国的西部大开发和“西电东送”的战略任务促进了我国水电能源开发和水利 工程建设的空前发展”】。一些2 0 0 m 级，甚至3 0 0 m 级的超高坝已经开工或即将开工建设 。由于我国7 0 9 6 以上的水利资源分布在地震活动频繁剧烈的西南部地区，距统计，在 库容超过1 亿一的大坝中，约有4 0 修建在地震烈度7 度以上地区，有1 3 修建在8 度 以上地区“。因此，大坝的地震安全性是我国大坝设计中最关键的问题之一。 一旦大坝由于地震出现溃坝，后果特别严重，不仅国民经济受到重大损失，而且危及 广大人民的生命财产安全。毁灭性地震的重现期为几百年甚至几千年。尽管如此，在地 震高发区，现有大坝的安全仍是主要问题。有效工程措施对于改进混凝土坝的抗震性能 增强其抵抗意外荷载的能力可以发挥很好的作用。因此，加强大坝抗震措施研究并使之 应用于实践具有重大的意义，因而受到广泛关注。本文以在建的金安桥碾压混凝土重力 坝为研究背景，从振动台动力模型试验和非线性有限元数值分析两方面，对金安桥碾压 混凝土重力坝进行了钢纤维混凝土的抗震加固问题进行了研究。工程概况介绍如下： ( 1 ) 枢纽布置 金安桥水电站位于云南省丽江地区的永胜县( 左岸) 与丽江县( 右岸) 分界的金沙 江中游河段上，为阿海水电站的下游衔接梯级电站，是金沙江中游河段规划“一库八级” 中的第五级电站。坝址以上河长2 4 2 6 k m ，控制流域面积2 3 7 4 万k m 2 ，多年平均流量 1 6 4 0 m 3 s 。电站地理位置适中，距昆明、攀枝花和丽江的直线距离分别为3 0 0 k i n 、1 3 0 k i n 和2 0 k i n 。对外交通十分便利。金安桥水电站的开发以发电为主，电站初期装机容量 2 0 0 0 m w ，后期增加装机容量5 0 0 m w ，总装机容量2 5 0 弧俩，初拟正常蓄水位高程 1 4 1 4 m ，坝顶高程1 4 2 2 m ，总库容7 4 2 亿m 3 。 金安桥水电站采用碾压混凝土重力坝、右岸溢洪道、坝后厂房格局方案枢纽，主要 由挡水、泄洪、排沙、引水发电等建筑物组成( 见图1 1 ) 。挡水建筑物为碾压混凝土 碾压混凝土坝钢纤维混凝土抗震加固措施研究 重力坝，在坝身及坝后布置泄洪、排沙和引水发电系统( 装机规模一期4 5 0 0 m w ，二 期1 5 0 0 m w ) 等建筑物。 金安桥碾压混凝土重力坝坝顶高程1 4 2 2 m ，最大坝高1 6 0 m ，坝顶长度6 4 0 m 。坝轴 线控制点为左坝肩a ( x = 6 4 8 0 8 0 2 0 7 ，y = 9 7 1 3 8 0 0 0 0 ) 、右坝肩b ( x - - - - 6 4 7 4 8 2 2 0 7 ， y = 9 7 1 3 8 0 0 0 0 ) 。左坝肩为碾压混凝土非溢流坝段，长1 9 2 m ( 包括4 2 m 的凝灰岩夹层 t i c 置换键槽坝段) ，坝顶宽度1 2 m 。电站进水口左侧为左岸冲沙底孔坝段，长3 0 m 、 坝顶宽度2 1 m ，布置一个孔冲沙管，管径6 5 m ，最大流量5 2 1 m 3 s ，从安装间下通过； 河中坝段长1 7 2 m ，布置电站坝式进水口，坝顶宽度1 6 m ，前缘挑出l o m ，设拦污栅平 台；进水口下部为碾压混凝土，上部及孔口部分为常态混凝土结构。进水口右侧为右泄 洪冲沙底孔坝段，长2 6 m ，布置2 孔冲沙泄洪底孔，孔口尺寸均为5 m 8 m ( 宽x 高1 ， 单孔最大泄量1 3 3 4 m 3 s ，底孔的功能除排沙( 保障电站进水口“门前清”、降低坝前淤 图1 1 枢纽平面布置图 f 嘻1 1l a y o u to f j i n a n q i a od a m 大连理工大学硕士学位论文 沙高程) 、参与泄洪和放空水库外，在施工后期还可参与后期导流和导流洞下闸封堵时 向下游河道放水。右岸台地部位布置表孔溢流坝段，右坝肩为碾压混凝土非溢流坝段。 引水发电系统布置在主河槽位置，电站进水口为坝式布置，钢管为坝后背管。直径1 0 i n 。 厂房采用坝后式，主厂房净宽2 7 5 m ，长2 2 4 m ，安装高程1 2 8 6 m ，发电机层高层1 3 0 3 5 0 m ， 安装五台5 0 0 m w 水轮发电机组( 一期安装4 台、二期安装l 台) 。安装间位于左岸， 水机副厂房布置在主厂房下游侧尾水平台下部，电气副厂房布置在主厂房上游侧，封闭 式开关站及主交布置在厂坝之间的平台上。左岸设置进厂交通隧洞与安装间相连。 ( 2 ) 抗震设计 本文研究的金安桥水利枢纽工程挡水建筑物碾压混凝土重力坝，其最大的特点是 坝址所在地区的地震烈度及地震加速度峰值之高( 见表1 1 ) ，在国内己建、在建及拟 建的工程中，均属首位。 表1 1 坝址基岩场地设计水平加速度峰值( 单位：g ) t a b 1 1h o r i g o n t a la c c e l e r a t i o no f d a mf o u n d a t i o n 金安桥水电站场地的构造上位于滇西北活动构造区范围，新构造运动、深部构造变 形、断裂活动、现代地壳形变等均较强烈，总体上属于构造稳定性较差的地区。坝址区 外围发育晚更新世以来活动强烈的多条断裂，如程海一宾川断裂、鹤庆一洱源断裂、小 金河一丽江断裂、大具丽江断裂等。这些断裂规模大、活动强、时代新，历史上多次 发生6 三7 三级地震，未来存在再发震的可能。它们距坝区的距离1 3 2 3 k m ，若发生地 42 震将对坝区场地造成较强烈的影响。 以上、下坝址为中心半径8 k m 的范围内没有晚更新世以来的活动断裂，断裂主要表 现为坚硬的断层岩、糜棱岩、劈理带、挤压透镜体、个别发育固化断层泥。它们多为前 第四纪断裂，个别为早、中更新世断裂。上、下坝址附近仅出露5 条规模很小的断层， 且均为前第四纪断层。可见，坝址区不存在发生较强地震的发震构造，主要受东西两侧 外围区域地震构造活动影响。坝址区外围分布的多条规模较大的活动断裂，其延伸方向 均不指向坝址场地，其新活动不会对坝址带来直接的破坏性影响，上、下坝址附近无晚 更新世以来的活动断层。可见，坝址区及坝址场地的构造稳定性是相对较好的。 坝址区内地震属于青藏地震区的鲜水河滇东地震带和滇西北地震带，前者对坝址 影响较大。区内地震活动强烈，历史地震记录共有m s 4 7 级1 6 8 次，其中6 级以上3 0 一3 一 碾压混凝土坝钢纤维混凝土抗震加固措施研究 次，最大地震为1 5 1 1 年的云南永胜7 级地震。1 9 7 0 年以来共纪录到m l 2 0 级地震1 2 1 5 8 次，其中2 m l 3 级1 0 5 2 2 次；3 m l 4 级1 4 2 3 次；4 m l 5 级1 5 2 次；5 m l 6 级5 2 次：6 m l 7 级8 次；m l 7 级1 次。 地震震源深度多分布在3 5 k i n 之内，深度在2 5 k m 以内的占总数的8 6 以上。历史 地震对坝址最大影响烈度为度。 上、下坝址场地的地震基本烈度为度。上、下坝址水工建筑物地震设计烈度和设 计地震动参数为： ( 1 ) 一般建筑物用基本烈度作为设计烈度，可按表1 2 中对应一般建筑物的基岩 场地设计水平加速度峰值进行抗震设计； ( 2 ) 非壅水建筑物按表1 2 对应于( i ) 型非壅水建筑物的基岩场地设计水平加速度 峰值进行抗震设计： ( 3 ) 壅水建筑物按表1 2 中对应于( i ) 型壅水建筑物的基岩场地设计水平加速度峰 值进行抗震设计。 ( 4 ) 坝址设计反应谱参数建议取表1 3 、表1 4 中的值。 由于金安桥水电站地震烈度及地震加速度峰值非常大，经初步的稳定和应力应变分 析发现，在地震工况下现有大坝体型难于满足抗滑稳定和应力应变控制要求。因此，在 数值分析以外，又进行了大坝动力反应和地震破坏模型试验。 表1 2 上、下坝址基岩场地设计水平加速度峰值( 单位：g ) t a b i 2h o r i z o n t a la e e l e r a t i o n o f t h eu p p e r a n d l o w e r d a m s i t e 表1 3 上坝址设计地震动峰值加速度及反应谱参数 t a b 1 3 d e s i g ns e i s m i cp c a ka n dp a r a m e t e r so f t h er e s p o n s es p e c m u no f t h eu p p e rd a m s i t e 大连理工大学硕士学位论文 表1 4 下坝址设计地震动峰值加速度及反应谱参数 t a b i 4 d e s i g ns e i s m i c p e a k a n d p a r a m e t e r s o f t h e i e s p o n s es p e c t r u m o f t h e l o w e r d a m s i t e 1 2 国内外研究现状 随着数值仿真计算技术的发展，人们可以对大坝在地震作用下的响应和破坏性态做 比较精确的模拟 6 - 9 。但由于材料的本构模型和本构参数等许多问题还没有很好的解决， 采用不同的方法得出的结论有较大的差别，因此，模型试验仍是研究大坝抗震性能和验 证理论分析成果的有效手段【协阍。 水工混凝土建筑物结构模型试验源于2 0 世纪初美国人威尔逊用橡皮制作了第一个 重力坝断面的结构模型f j 6 】。1 9 3 0 年美国垦务局用石膏硅藻土制作了当时世界最高的波 尔德坝( b o u l d e rd a m ) 的结构模型试验。1 9 4 7 年葡萄牙建立了里斯本国家土木工程研 究所( l n e c ) ；随后，1 9 5 1 年意大利建立了世界著名的贝加莫( b e r g a m o ) 结构模型试验 所( i a s m s ) 。1 9 5 9 年6 月在马德里举行的结构模型国际讨论会，全面讨论了结构模 型的相似理论、试验技术及其实际应用。1 9 6 3 年l o 月在里斯本举行的混凝土坝模型讨 论会，就混凝土坝的结构模型试验技术进行了讨论。1 9 7 9 年3 月在意大利贝加莫举行的 地质力学物理模型国际讨论会，讨论了地质力学模型的试验技术及其实际应用问题 【1 7 - t 9 1 。 在我国，从1 9 5 6 年广东溪河拱坝( 坝高7 8 米) 试验在清华大学水利系进行开始， 混凝土结构模型试验就蓬勃发展起来，许多水电科研单位和高等院校相继建立了试验 室。我国已建和正建的大中型工程都进行了模型试验，极大地促进了结构模型试验在我 国的发展瑚】。如今，水工结构模型试验无论是在模拟方法、手段上，还是模型材料的使 用和改进上都取得了长足的进步 结构模型试验按不同特点可以分成很多种- 2 3 1 。按试验加载方法分类，可以分成静 力结构模型试验、动力结构模型试验、伪静力结构模型试验和拟动力结构模型试验。按 模型材料划分，可分为水泥类模型、石膏类模型、有机玻璃模型、软胶类模型、橡胶类 模型等。 碾压混凝土坝钢纤维混凝土抗震加固措施研究 国内的许多学者对各类模型试验都做了大量工作，在模型试验的方法和技术进行了 改进和验证。北京水利水电科学研究院祁建华、胡晓洲等采用加重硫化硬橡胶制作了较 为精巧的溢流坝段模型，模拟顶部闸墩、引水钢管、尾水管、厂房等，通过坝项加速度 反应进行模态识别，对厂、坝连接的两种形式进行振动台动力模型试验。李德t , t 2 5 l 结合 某重力坝工程，进行了坝体一库水动力相互作用的振动台动力模型试验，研究库水对大 坝自振频率及坝面动水压力的影响，同时辅以数值计算将目前工程上应用广泛的韦斯特 伽德库水附加质量模型以及库水有限元模型的计算结果与模型试验成果进行比较，提出 库水有限元附加质模型能更好模拟库水对坝体动力特性和地震动力反应的影响，韦斯特 伽德库水附加质量模型夸大了库水的动力影响，建议在适当折减的基础上采用。浙江大 学俞亚南m 2 7 1 采用水泥作为胶结剂的复合材料一次浇筑成坝体模型，采用两台激振器多 点稳态激振方法，测得自振频率和振型，并与有限元动力分析方法进行验证，认为重力 坝特别是折线型重力坝，在考虑各坝段共同工作后，按平面问题分析不是偏于安全的， 只有在考虑空间作用后其结果才是偏于安全的。长江科学院张杰、陈进【刎等采用重晶石、 石灰石粉，膨润土机油根据不同的弹模采用不同的级配进行模拟坝体和基础，上游水压 力采用千斤项油压系统分块施加和气压加载两种方法模拟，通过静力结构模型试验，研 究清江隔河岩重力拱坝在复杂基础上的应力分布规律，及复杂基础对重力坝整体稳定性 的影响。林皋、周晶i 孤3 0 】等采用仿真混凝土材料模拟单个坝段的动力破坏，并引入了满 库影响系数、高阶模态影响系数等修正系数，得到大坝的起裂加速度。福州大学周瑞忠、 林维安p “3 2 1 等采用石膏脆性材料制作大坝整体模型，坝体采用2 8 层厚度为2 e r a 左右的 板料砌筑模拟碾压混凝土层状特性，试验用千斤顶定点施加数量有限的集中力替代体积 力，测试了坝体的静力反应。同济大学陈波，吕西林1 2 8 1 采用橡胶膜钢筋加固的柔性容器 模型基础边界条件。王海波等1 3 3 用剪切土槽来模拟试验模型的周边边界条件，对辐射阻 尼效应的模拟而进行的尝试性工作当前在模型试验中需要研究解决的问题有：寻求新 的模型材料，施加自重、渗透压力以及温度荷载的试验技术等。 国内外就碾压混凝土重力坝地震响应的影响进行了多方面的研究，主要有理论研究、计 算分析以及试验研究，其中试验研究进行得相对较少，而关于计算分析与试验的对照研 究则更少。对计算分析和试验研究进行对照研究，一方面可以验证计算模型的合理性， 同时也能验证试验方案的可行性及试验结果的可靠性，具有非常重要的意义。 在许多情况下，模型与原型要保持几何严格相似是困难的，事实上也完全没必要拘 泥于几何严格相似，甚至在某些情况下，保持几何严格相似也是不妥的，它有可能把一 些并不明显反映真实情况的物理量考虑进了模型的设计和制作中，对模型本身硬性地加 上了一些不必要的限制，反而制约了模型试验，影响了试验结果的真实性和准确性0 4 - 3 5 1 。 大连理工大学硕士学位论文 另外由于模型相似律的各主要物理量之间的相似常数不是独立的，而是相互制约着的， 所以，在不影响试验主要目的的前提下，有选择地决定相似条件并予以满足，同时忽略 一些不必要的相似条件来进行模型设计与制作，进而进行模型试验，能够获得应有的真 实而准确的结论。 由于影响结构动力破坏的因素很多，保持模型与原型问的相似性比较困难，许多研 究者在这方面作了很多努力。但是由于问题的复杂性，很多情况还不能得出令人满意的 结果。林皋院士通过多年模型试验的实践与体会，总结出处理模型相似问题一些的技巧， 提出了结构动力模型试验的相似技术这一概念，并提出了3 种主要相似关系及其适用情 况，特别对土工建筑物的地震响应模型试验提出了一些新的概念，即在微振阶段采用弹 性相似关系，在破坏阶段采用重力相似关系，使其模型设计可以在很大程度上得以简化。 本文的试验就是以他的理论为根据进行的。 钢纤维混凝土是近年来迅速发展起来的新型建筑材料，以其制作工艺简单、施工简 便、增强、增韧、阻裂效果明显等特点，是目前研究最深入、应用最广泛的一种纤维混 凝土复合材料。韩蝌3 6 】等通过试验研究表明钢纤维体积率、钢纤维长径比、钢纤维类型 对钢纤维混凝土劈裂抗拉强度、轴心抗拉强度及轴心受拉应力应变全曲线都有影响。 在脆性材料中加入钢纤维，可有效提高了复合材料承受荷载时阻止裂缝引发与扩展的能 力，达到对混凝土的增强效果，使它由脆性破坏变为塑性破坏。赵华玮 3 7 1 等结合国内钢 纤维混凝土试验的结果，分析了钢纤维改善水工混凝土性能的作用，分析结果表明：钢 纤维可有效提高混凝土的抗裂性、抗渗性、抗冻性、抗疲劳性、抗冲击性及抗冲刷耐磨 性。由于水工建筑物本身的特点，对混凝土各项性能特别是抗裂性能的要求更为严格。 钢纤维混凝土有其显著的抗裂增强作用，故在水工混凝土中，掺加钢纤维可以起到良好 的抗裂，阻裂和限裂效果，是控制裂缝产生及发展的有效措施口耵。目前钢纤维混凝土在 水工结构工程中的应用主要集中在加固以及防渗两方面。皖西佛子岭水库建成蓄水后拱 内出现了大量裂缝。经多次裂缝修补加固后，仍有裂缝发展和新的裂缝产生，有的裂缝渗 水。后经论证，决定对大坝左右两岸的边拱及上、下游面采用喷射钢纤维混凝土，而在垛 内采用现浇钢纤维混凝土，并在垛内增设水平隔板进行加固。加固后至今没有出现大的裂 缝【3 8 1 。丰乐双曲拱坝采用了钢纤维混凝土加固方案，张燎军等口9 】通过三维全过程仿真分 析法计算了加固坝体的变形和应力场。仿真计算表明，坝体加固使坝体上游面坝底拉应 力增加而下游面拉应力减小，使坝体应力能够满足强度控制标准，加固方案可行。将喷 射钢纤维混凝土应用于姚岭水库大坝防渗面板，防渗效果好而且与原坝面粘结性能好 4 0 1 。 碾压混凝土坝钢纤维混凝土抗震加固措施研究 混凝土坝抗震措施研究是我国西部强震区高坝设计的关键技术课题之一。印度 k o y n a 坝【4 1 1 1 9 6 7 年强震开裂后，在坝段1 5 。1 7 。和2 4 。 2 6 。进行了垂直预应力锚索加固， 锚索钻孔直径为9 0 r a m 和1 1 5 r a m , 锚索采用高强钢丝，极限拉力强度不小于1 5 0 k g m m 2 。 新丰江坝1 9 6 2 年地震后，对右岸1 3 。1 8 4 坝段1 0 8 m 高程附近一条长达8 2 m 上下贯穿的 水平裂缝及左岸2 、5 、1 0 坝段大致相同高程上的不连续水平裂缝上进行了插筋加固【4 2 】， 并加大坝体剖面，坝顶增设撑墙。在混凝土拱坝抗震措施方面，前苏联英古里拱坝采用横 缝插筋和坝面钢筋网【4 3 1 ，智利r a p e l 拱坝则采用了水平连续式钢筋加固带。在数值模 型方面，张楚汉等1 4 5 蛔提出了拱坝横缝配筋模型。进行了横缝配筋坝体变形以及配筋机理 研究，并在宏观上论证了横缝配筋控制措施的可靠性和可行性。郭永刚等【4 7 档】研究了横 缝配阻尼器对横缝张开度、坝体加速度及应力与位移的影响，分析了在不同种类钢筋及布 置方案下的横缝张开变化情况。横缝配筋和阻尼器对横缝张开度限制能够起到一定的作 用，但是对坝体应力的改善都很小。模拟混凝土重力坝震后开裂的数值模型较多，线弹性 模型有：m o h a m e d 等【4 9 j 采用分离裂缝模型模拟大坝开裂演化过程，给出了坝体上下游面 裂缝处的强度因子时程；p e k a u 等【5 0 】采用边界元与线弹性断裂力学耦合方法分析大坝库 水系统在动力荷载作用下坝体裂缝的扩展。在非线性方面，e 1 2 加d i b 等【5 j 】采用弥散裂缝 技术研究了大坝拉张裂缝演化及其张开闭合的非线性动力过程，利用特殊数值处理方法 克服了裂缝区宽度增加问题；b h 柏c h a i 等【5 2 】利用共轴旋转裂缝模型模拟混凝土非线性 断裂行为，考虑了断裂能守恒及微观裂纹演化断裂带旋转；g 埘b 等1 5 3 】用损伤力学的概念， 并克服断裂能消散与剖分单元大小相关的网格技术，计算了混凝土坝动力反应；w a n g 等 l 蚓根据固定裂缝模型理论，通过不断重新剖分网格模拟了坝的非线性开裂；邱战洪等【5 5 】将 损伤、渗流及空隙率耦合的有效应力概念引入m 血r c 0 m o m b 破坏准则，建立了岩石类材 料脆性和黏弹塑性动力损伤模型。随着损伤断裂力学的发展。混凝土坝非线性开裂与抗震 加固研究已取得长足的进展。 1 3 本文研究方法及主要内容 1 3 1 论文的研究意义 金安桥一期试验成果表明在设计地震加速度情况下大坝将发生开裂，从断裂力学的 角度分析，一旦动态断裂，大坝混凝土很可能进入不稳定扩展阶段，发生大坝混凝土贯 穿性断裂。为了确保大坝安全，必须进行抗震措施的研究，提高大坝的起裂加速度。同 时研究大坝开裂以后的工程保护措施，提高大坝的安全性。因此，金安桥大坝抗震措施 研究是必需的、紧迫的，直接涉及到大坝的安全性和可靠性。这项研究既是对金安桥大 大连理工大学硕士辱 位论文 坝本身的工程措施的研究，也为在高地震烈度区建设碾压混凝土重力坝的设计理论和工 程技术的创新提供了依据和验证。 1 3 2 论文的主要工作 本论文结合金安桥混凝土重力坝工程的抗震措施研究课题，对挡水坝段、排沙坝段、 发电坝段、溢流坝段按无抗震措施和有抗震措施分别进行了动力模型试验，并且运用 a b a q u s 对挡水坝段进行了数值分析。试验中在考虑了库水的影响下，得到了坝体在 有无抗震措施两种情形下的加速度以及应变应力结果，为进一步分析提供了基础资料。 并对试验中钢纤维混凝土的模拟方法进行了研究。在试验的基础上，应用大型有限元软 件a b a q u s 对大坝的挡水坝段原型进行了塑性损伤分析，主要研究了局部使用钢纤维 混凝土对坝体抗震性能的影响。具体工作如下： ( 1 ) 对钢纤维混凝土的模拟方法进行了研究。首先进行了钢纤维混凝土与素混凝土 构件的对比试验研究，包括：抗压强度试验、四点受弯抗折试验、动态特性测试试验； 分析了其抗拉、抗压强度以、力与位移曲线以及动态特性试验结果。其次对模型试验中 钢纤维混凝土的模拟方法进行了研究，采用了在仿真混凝土中掺加玻璃纤维的方法来模 拟。对此进行了多次配比试验，最终得出了符合要求的配比。 ( 2 ) 对各坝段进行了有无抗震措施两种工况的模型破坏试验研究。对模型试验中所 应用的相似理论、试验设备与仪器、模型比尺、地震输入、试验工况、起裂加速度的影 响因素等进行了阐述。在对无抗震措施试验数据分析的基础上确定了抗震钢纤维混凝土 的敷设部位，并藉此进行了有抗震措施的模型破坏试验研究。对模型试验得到的加速度 与应变数据进行分析处理，并将结果对比分析。 ( 3 ) 对挡水坝段进行了数值分析研究。应用大型有限元软件a b a q u s ，建立了二 维有限元模型进行了塑性损伤分析，研究了在坝体局部使用钢纤维混凝土对坝体抗震性 能的影响。计算中考虑了钢纤维体积率以及钢纤维混凝土使用厚度对坝体抗震性能的影 响。从裂缝宽度与深度、坝顶位移、坝头起裂加速度、坝顶加速度放大倍数四方面分析 了钢纤维混凝土抗震加固措施对坝体抗震安全性的影响。 一o 一 碾压混凝土坝钢纤维混凝土抗震加固措施研究 2模型试验基本理论及模型设计 2 1 相似准则 混凝土材料是脆性材料，抗压强度具有很高的安全裕度，地震损伤以受拉开裂为主。 裂缝出现前可近似认为混凝土在弹性范围内变形。因此，根据弹性力相似关系进行模型 设计。 弹性结构振动方程的基本形式为 】 f f + 旧斟+ 【明研= ( 2 1 ) 式中：【m 】、【q 、瞵】分别代表结构的质量阵、阻尼阵和刚度阵；为结构位移； f f 为外部激励。 上式表明，对结构振动起主要影响的作用力为惯性力、阻尼力和弹性恢复力。 ( 1 ) 弹性力相似率 研究结构的自振特性( 自振频率与振动模态) 时，主要保持惯性力与弹性恢复力的 相似，得出时间比尺 ：a 杉 ( 2 2 ) 式中：a 为模型几何比尺； 、九、砧分别代表模型的时间比尺、质量密度比尺 与弹性模量比尺。当模型比尺与模型材料选定后，其他物理量的比尺均可据此确定。 研究结构的弹性动力响应时，还应保持原型与模型外部激励的相似。 口 夕鲁= a e a 丸 ( 2 3 ) ，_ 式中：屯为变形比尺。 ( 2 ) 重力相似率 考虑坝体自重和静水压力对大坝的影响时，主要考虑重力相似问题，即保持惯性力 与坝和库水的重力相似，得到： - - x 比 ( 2 4 ) ( 3 ) 弹性力重力相似率 由于静水压力和坝的自重均对坝的破坏产生重要作用，它们由重力加速度进行控 制，所以研究抗震安全性时要采用弹性力重力相似律。 因为断面模型试验主要研究大坝的破坏特性，对于应力应变间存在非线性关系的 情况，则应保持变形比尺与几何比尺的一致性，因此须满足： 大连理工大学硕士学位论文 兄= 屯( 2 5 ) 根据式( 2 2 ) 、式( 2 4 ) 和式( 2 5 ) ，得到： a = a e a 。 ， ( 2 6 ) 受到振动台性能的限制，模型几何比尺z 的变化范围是有限的，同时模型材料一旦 选定，其密度比尺a 。也就确定了。因此，要满足弹性一重力相似关系( 式2 6 ) ，只能 调整模型材料的弹性模量，以改变弹模比尺k 。模型仿真材料的弹性模量随龄期的增长 而增加，实时量测模型材料的动弹性模量，从而控制砧，实现基本满足式2 6 的要求。 ( 4 ) 材料抗力相似率 进行结构动力破坏实验研究时，还应保持材料的抗力相似。对于重力坝和拱坝等大 体积混凝土结构来说，其震害的主要形式为混凝土的动态断裂，可主要以材料的抗拉强 度仃来代表结构的抗力强度。按抗力和作用力( 地震力) 相似的条件给出： r 仃p 仃。= 刀a p 口p 口。 ( 2 7 ) 式中：4 代表结构产生初始裂缝( 材料到达抗拉强度) 时的激励加速度。据此，可 由模型实测的产生初始裂缝时的地震波加速度，换算出原型中可导致裂缝出现时的地震 输入加速度： 口p = 1 a 仃p 口a p 一口。 ( 2 8 ) 原型和模型中地震波形应相似，地震波幅按变形比尺进行换算，地震波历时按时间 比尺式( 2 2 ) 。进行换算。 进行破坏试验时，抗力相似要求保持抗拉、抗压强度与恢复力函数关系的相似，即 模型和原型中材料抗拉、抗压强度的比例相同，并且本构关系曲线相似。有时难以