（水工结构工程专业论文）碾压混凝土重力坝抗震措施模型试验研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 随着国民经济的快速发展 我国水电能源开发利用进入重要的发展时期 一大批世 界级高混凝土坝在我国西南地区开工建设 而这些地区正是高烈度地震频发地区 有的 设防地震烈度甚至达到了 度 这些高混凝土坝的抗震安全将直接关系到相关地区国民 经济的和人民生命财产安全 本文以研究碾压混凝土重力坝的地震破坏形态 破坏机理 与抗震措施为目的 从碾压混凝土重力坝坝段动力模型试验入手 结合数值计算研究重 力坝的破坏模式与抗震措施 讨论抗震配筋优化问题 为工程设计人员有针对性地采取 工程措施进行大坝抗震设计提供参考 具体做了以下五个方面的工作 1 为了模拟实际工程中采用的抗震配筋措施 探索细金属丝在仿真混凝土中的特性 通过模拟配筋的四点弯折试验得到在适筋情况下可以不考虑钢筋与混凝土的粘结滑移 效应的结论 在这种情况下 研究配筋量的相似率 采用牛顿第三定律与粘结力相似准 则 推导出钢筋有效面积比尺作为相似配筋量的相似率 2 以仿真混凝土为基体 掺入粘土或橡胶颗粒来增强仿真材料塑性 探讨高塑性的 仿真材料的物理特性 为在不完全几何相似的情况下的模型大变形反应和塑性混凝土的 相似材料两方面研究提供了一定的参考 3 采用水下电液伺服地震模拟系统对阿海碾压混凝土重力坝典型坝段进行无抗震措 施与局部模拟配筋抗震措施模型试验 分析厂房坝段动力破坏形式 研究局部配筋对地 震荷载作用下对挡水与溢流坝段破坏动力非线性反应影响 4 利用a b a q u s 平台对阿海碾压混凝土重力坝进行有限元分析 采用弹塑性损伤 本构模拟混凝土非线性 同时依据模型试验配筋量相似比率建立局部抗震配筋的坝体原 型有限元模型 进行了挡水坝段的抗震配筋影响分析 5 优化配筋方案计算分析不同形式的局部抗震配筋对挡水坝段的动力非线性反应的 影响 具体从动力放大倍数 极值应力 极值位移 损伤发展 不可恢复应变与整体耗 能几方面进行探讨 同时给出线弹性情况下规范配筋量与之进行对比 关键词 碾压混凝土重力坝 动力模型试验 抗震措施 配筋 损伤 方案优化 碾压混凝 十重力坝抗震措施模型试验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo fr c cg r a v i t yd a ms t r e n g t h e n e dw i t hs t e e l r e i n f o r c e m e n ti 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 w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fn a t i o n a le c o n o m y t h ee x p l o i t a t i o n 锄du t i l i z a t i o no f w a t e r p o w e ri ss t e p p e dt h ek e yd e v e l o p m e n ts t a g e ab a t c ho fd a m s w o r d c l a s sh i g l lc o n c r e t e d a m s h a v eb e i n gc o n s t m c t e di ns o u t h w e s to fc h i n a h o w e v e r t h ep l a c ei sah i 曲i n t e n s i t y s e i s m i c z o n e s p e c i a l l y t h ea d o p t e dd e s i g nl e v e l0 fe a n h q u a k eg r o u n dm o t i o ni l c a c h e st 0n i n e d e 伊c ca ts o m ed a ms i t e s ni sv e r rs i 印i f i c a n tt h a ta s e i s m i cs a f e t yo fd a m sf o ri l l d u s t r i a l 柚d a 黟i c l l l t u r a lp r o d u c t i o n 柚dt h es a f e t yo ft h ep e o p l e sl i f e 锄dp r o p e n yi nt h el a r g er e 酉o no f d o w n s t r e a m h 1o r d e rt os t u d yt h ed y n a m i cd e s t l l l c t i o nm e c h a n i s m 锄da s e i s m i cm e 嬲u f e s0 f c o n c r c t eg m v i t yd a mi ne a n h q u a l e t h ed y n a m i cs h a k i n gt a b l em o d e lt e s t s 勰df i n i t ee l e m e n t 卸a l y s i sw e r ea d o p t e dt 0i n v e s t i g a t ef a i l u r cm o d ea n d 硒e i s m i cm e a s u r c si l lt h i sp a p e r t h e o p t i m i z a t i o nd e s i g no fa s e i s m i cr e i n f o r c e m e n ta ts o m ek e yp a n sw a sa l s od i s c u s s e d t e s t r e s u l t sc 觚p r 0 v i d er e f e r e n c e sf o re n 舀n e e r i n gd e s i 印 n l em a i nc o n t e n t so ft h ep a p e ra r cf i v e p a r t s 毯f o l l o w s 1 a ss t a i n l e s ss t e e lw i r e sw e r ee m b e d d e di ne m u l a t i o nc o n c r e t e p r o p e r t i e s0 ft h e mw e r e s t u d i e df o rt h ep u 叩o s eo fs i m u l a t i o n0 fr e i n f o r c e dc o n c r e t e b a s e0 nf o u rp o i n tb e n dt e s t s n e 酉c t i o no fb o n d s l i pw 弱c o n c l u d e da tm o d e l t e s t s w i t ht h i sh y p o t h e s i s s i m i l 撕t yo f q u a l l t i t yo fs t e e lw a se l i c i t e d t 0e m p l o ye 骶c t i v ea r e as c a l e0 fs t e e lb a r s t h ed e r i v a t i o n p r o c c 鼹w a sa p p l i e dw i t hn e w t o n st h i r dl a w 柚ds i m i l a r i t y0 f c o h e s i v ef o r c c 2 h i g l lp l a s t i ce m u l a t i o nm a t e r i a l sw e r em a d eb ym e a n so fu s i n ge m u i a t i o nc o n c r e t e 勰 b 弱a lb o d y 锄da d d e dc l a yo ra d d e dc n l s h e dm b b e 璐 a n dp h y s i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fm a t e r i a l s w e r ci i l v e s t i g a t e d t h et e s tr e s u l t sc a i lb eu s e f u lf o rs t u d y0 fm o d e l sl a f g ed e f 0 册a t i o n 孤d p l a s t i cs t m i ni nv i e wo fi n c o m p l e t eg e o m e t r i cs i m i l a r i t y 3 m o d e lt e s t0 fa h a ir c cd a mw 弱c a r r i e do u tw i t he l e c t r i c h y d r a u l i cu n d e r w a t e r s e i s m i cs i m u l a t e ds e n os y s t e m m o d e it e s tw 嬲d i v i d c di n t 0t w os e c t i o n s m o d e l sw i t h o u t 弱e i s m i cm e a s u r e sa n dm o d e l sw i t ha s e i s m i cr e i n f o f c e dc o n c r e t ea ts o m ek e yp a r t s a n dt h e n t h e 例l u r cm o d eo fa h a ih o u s e d a m 卸de f i e c to fa s e i s m i cr e i b r c e dc o n c r e t ef b fw a t e r r e t a i n i n gd 锄s e c t i o nw e r cs t u d i e d 4 f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fa h a ir c cd a mw 勰c o n d u c t e dw i t hs o f t w a r eo fa b a q u s n e p l a s t i cd a m a g em o d e lw a sa p p l i e d a sc o n c r e t en o n l i n e a rc o n s t i t u t i v er e l a t i o n b a s e0 nt h e s i m i l a r i t yo fa s e i s m i cs t e e la n dq u a n t i t yo fa s e i s m i cw i r ei nt e s t t h ef i n i t em o d e lw i t hr e b a f w 弱c r e a t e d t h ee f i e c to fr e b a ri nw a t e rr e t a i n i n gd a ms e c t i o nw a s a n a l y z e d 一i i 大连理工大学硕七学位论文 5 o p t i m i z a t i o nd e s i g n0 fr e i n f o r c e m e n ta ts o m ek e yp a n so fd a mh a db e e nm a d e t h m u 时ln u m e r i c a lc a l c u l a t i o no fn o n l i n e a rr e a c t i o nu n d e rd e s i g ni n p u to fg r o u n dm o t i o n c o n c r e t e l v t h er e s e a r c hc o n t e n t si n c l u d e dd y n a m i ca m p l i f i c a t i o nc o e f f i c i e n t s e x t r e m ev a l u e s o fs t r e s s e x t r e m ev a l u e s0 fs t r a i n d e v e l o p m e n to fd a m a g e v a r i a t i o n0 fi r r e c o v e r a b l es t r a i n a n dd i s s i p a t i o ne n e e g y t h ep a p e ra l s 0i n v e s t i g a t e da s e i s m i cb a r su n d e rt h ec i r c u m s t a n c e so f l i n e 盯e l a s t i cc o n s t i t u t i v er e l a t i o n s h i p k e yw o r d s r c cd a m d y n a m i cm o d e it e s t a s e i s m i cm e a s u r e r e i n f o r c e db a r s d a m a g e o p t i m i z a t i o no fp r o p o s a i s i i l 碾压混凝十重力坝抗震措施模型试验研究 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定 在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学 允许论文被查阅和借阅 学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版 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 可以采用影印 缩印 或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文 学位论文题目 作者签名 导师签名 日期 丑年上月卫日 日期 年 月 日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明 所呈交的学位论文 是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果 尽我所知 除文中已经注明引用内容和致谢的地方外 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果 也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果 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 学位论文题目 亟亟盈墼堕左丛塑象亟塾幽丝鸳钇 作者签名 猛邀日期 竺王年 竺月二五日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 研究背景与意义 我国的水能资源居世界之首 约8 0 分布在西部 主要是西南地区 在我国西部大 开发的国策中一个重要方面就是利用西南 西北地区丰富的水利资源 修建水利工程 为东南沿海地区提供电力 同时 我国地处世界环太平洋地震带与欧亚地震带之间 是世界上地震灾害严重的 国家之一 据不完全统计 有记载以来我国已发生破坏性地震1 0 1 0 次 2 0 世纪以来我 国已发生震级大于6 级破坏性地震6 5 0 多次 其中7 7 9 级地震9 9 次 8 级以上1 0 次 本次5 1 2 大地震给我国造成的损失的无可估量 特别是一些校舍的坍塌 很让人揪心 据不完全统计 死亡人数是超过6 9 o o o 人 失踪人数是1 8 0 0 0 人左右 数以万计的房 屋倒塌 给我们的国民经济造成严重损失 全国地震基本烈度 度以上地区占国土总面 积的3 2 5 4 6 的城市和许多重大工业设施 矿区 水利工程位于受地震严重危害的 地区 按照国家对能源和水利事业的发展规划 一大批坝高在1 0 0 4 0 0 m 左右的世界级 高混凝土坝即将在我国西南地区开工建设 其中拱坝如金沙江的溪洛渡 2 7 8 m 澜沧江 上的小湾 2 9 2 m 雅砻江上的锦屏一级 3 0 5 m 黄河上游的拉西瓦 2 5 0 m 大渡河上 的大岗山 2 1 0 m 等 重力坝如红水河的龙滩 2 1 6 5 m 雅砻江的官地 1 6 8 m 金沙江 的金安桥 1 6 0 m 和龙开口 1 6 7 m 以及额尔齐斯河的喀拉塑克 1 2 1 5 m 等 这些工程中 不少大坝的高度或规模达到世界上的最高水平 并且这些坝大多建于高烈度地震区 坝 址地质条件复杂 设计地震加速度高 在如此高烈度地震区进行高坝和超高大坝的建设 大坝的抗震安全成为设计中需要解决的关键技术问题之一 大坝的设计地震水平峰值加速度 小湾拱坝为0 3 0 8 9 溪洛渡拱坝为o 3 2 1 9 锦屏 一级拱坝为0 1 9 7 9 此外 大渡河上2 1 0 m 高的大岗山拱坝为0 5 5 7 5 9 金沙江上的金安 桥重力坝为0 3 9 9 9 虎跳峡拱坝为0 4 0 7 9 阿海重力坝为0 3 4 4 9 其值均远远超过我国 已建大坝的设计地震加速度 上面己指出 在我国水力资源十分丰富的西南 西北等强震活动地区 正在或即将 建设一批世界级的高坝 其设计地震加速度峰值远远超过现有大坝设计地震加速度的水 平 最大可达到两倍或以上 地震作用达到千万吨级的水平 坝体最大静 动拉应力可 能达到或超过混凝土的承载能力 极可能引起局部破坏进而可能影响到大坝安全 依靠 传统经验与技术无法满足这些大型工程的实际要求 但迄今为止 世界上著名的混凝土 高坝强震破坏实例只有我国的新丰江大头坝 伊朗的s e f i d r u d 大头坝 印度的k o v n a 重力坝和美国的p a c o i m a 拱坝 直接因地震作用而溃坝的实例更是没有 据相关文献1 1 j 碾压混凝十重力坝抗震措施模型试验研究 统计 在9 个国家中至少有1 7 座混凝土坝经受过0 1 9 的地震动 因此 人们对强烈地 震作用下混凝土高坝的非线性动力反应 破坏过程 破坏机理和可能的破坏形式还知之 甚少 在缺乏实际混凝土高坝地震破坏监测资料的前提下 数值分析与结构动力模型试 验成为了解混凝土高坝非线性动力响应与地震破坏形态的重要手段 地震动分析的最终目的是为了对大坝的安全性进行评价 同样需要解决大坝非线性 破坏演变过程 失效模式和安全评估等方面的问题 但是 由于理论分析中很多问题没 有很好的解决需要简化数学模型从而引起不确定性 包括边界条件 本构关系等等 使 得计算结果精度受到限制 即使对一些简单的大体积混凝土结构 对其在强震作用下发 生震害的部位 破坏形态以及破坏扩展范围等 由于边界条件 荷载条件 本构关系等 模拟不同 不同作者通过非线性分析得出的结果仍然千差万别 同时 不同于工民建领 域大量结构曾经遭受强烈地震的作用 地震过程中结构的抗震性能和破坏形态得到发 现 可以用来很好的验证数值分析的精度和可靠性 由于目前世界上大混凝土坝经受强 烈地震考验的实例屈指可数 因此 对于大体混凝土结构的地震破坏形式知之甚少 不 仅数值模型和分析方法的精度和可靠性无法得到准确评估 地震情况下的安全评价问题 至今也没有得到解决 结构动力模型破坏试验是了解结构非线性动力响应与地震破坏形态的一种重要手 段 同时也是验证数值分析方法的一种方法 随着工程实践和数值分析技术的发展和要 求 对于考虑结构非线性破坏的试验要求也越来越迫切 但是在水工大体积混凝土结构 的地震动破坏试验方面 对于大缩尺试验的模型材料的研制是十分困难的 由于是非线 性破坏试验 还需要考虑流一固耦合的作用 试验不但要满足重力相似 还要同时满足 流体的密度比尺与结构的密度比尺相等 因此 对于大缩尺混凝土坝动力模型破坏试验 的模型材料 要具有低强度 高密度的特点 并且要保证模型试验材料的物理力学特性 和普通混凝土具有相似性 振动台试验还要求原 模型材料的动态特性也必须相似 要 了解大体积混凝土结构的震害情况 验证数值分析可靠性必须对模型试验材料的物理力 学特性进行深入研究 针对上述问题 本文依托于国家自然科学基金西部重大研究计划重点项目 跚5 1 0 0 1 8 西部强震区高拱坝抗震功能设计的若干基础理论研究 和 5 0 9 0 9 0 1 5 大 体积混凝土的物模 数模混合振动台试验相似研究 对大连理工大学工程抗震所研制的 仿真混凝土材料力学特性进行了深入研究 采用该材料在水下振动台上对阿海碾压混凝 土重力坝各坝段进行了动力模型破坏试验 并利用弹塑性损伤模型对混凝土重力坝在地 震作用下损伤破坏的全过程进行了数值仿真 研究混凝土重力坝的地震破坏机理 抗震 薄弱环节以及影响因素 分析混凝土重力坝的地震破坏路径和失效模式 并为混凝土高 大连理工大学硕士学位论文 坝的抗震功能设计的发展提供基础 1 2 研究现状 1 2 1 混凝土坝抗震理论研究发展 混凝土大坝合理的设计理论是从十七世纪开始孕育的 普朗尼 纳维埃 圣维南等 人开拓和发展了大坝设计理论 在前人的基础上逐渐形成了两种有效的坝体分析方法 材料力学法和弹性理论方法 2 0 世纪7 0 年代后 随着计算机的普及和相应产生的有限元 差分法及边界元等各 种数值计算方法的发展 相继出现了各种混凝土本构模型 并用于混凝土大坝的动力分 析及安全评价中 来研究大坝的地震响应 极限承载力以及破坏特征 早期一般使用线 弹性分析方法 计算结果可使人们对大坝的应力 位移等分布有较为直观的认识 并用 以评价其安全性能 但是随着对大坝非线性认识的加深 使人们了解到 为能尽量准确 地反映大坝的真实工作状态 必须使用非线性分析方法 对于材料非线性而言 大坝混凝土的损伤 断裂特性在很大程度上影响了大坝地震 动反应 国内外许多学者从这两方面出发 研究出很多断裂力学模型和损伤力学模型 在大坝断裂的研究中 主要有分离裂缝模型 d i s c r e t ec r a c km o d e l d c m 和弥散裂缝模 型 s m e a r e dc r a c km o d e l s c m 断裂力学方法可获得连续介质结构在出现裂缝后结构 体的响应 并可分析断裂进一步的发展 对于宏观裂缝出现以前局部微裂纹的存在及其 对材料性能的影响显得无能为力 c h o p r a 和c h a k r a b a t i 瞳1 早在1 9 7 2 年用线弹性模型分析了裂缝形状及位置 以后通过 对大坝非线性了解的加深 人们认识到只有利用非线性分析方法才能较准确地分析坝的 工作表现 s l r i k e m d 和b a c h m a i l n 口1 在1 9 8 6 年用离散裂缝模型进行混凝土重力的动力分 析 并用强度准则判断混凝土的起裂和扩展 考虑了裂缝的开张 闭合和再张性状 分 析了k o y n a 重力坝的动力开裂响应 b h a t t a c h l j e e 和k g e r h l 用弥散裂模型 s c m 分析了 静动荷载作用下的混凝土重力坝的反应 分析结果表明 k o y n a 重力坝裂缝出现在坝基 和坝下游面坡度改变处 y u s u f 和c a l a y i 哺1 等采用考虑材料压应变软化行为的共轴旋转裂 缝模型 模拟了在地震作用下k o y n a 大坝在坝颈部将产贯穿性的裂缝 k g e r 和k c l e r c 拍1 利用非线性断裂力学方法研究了混凝土重力坝在地作用下可能的裂缝扩展情况和大坝 的断裂机理 在国内 陈万吉口1 张楚汉 王光纶 3 等采用非线性断裂模型对地震激励 下的混凝土坝的破坏响应情况进行过详细的研究 从上个世纪9 0 年代以来 损伤力学方法逐步被用于在混凝土大坝的非线性分析中 损伤力学通过引入损伤变量便于描述介质损伤的渐进发展 可模拟结构中裂纹萌生 扩 碾压混凝士重力坝抗震措施模型试验研究 展以至失稳的全过程 为模拟连续介质的逐渐劣化过程提供了一种有效的分析手段 从 己有大坝损伤方面的工作可见 主要集中在弹性损伤 弹塑性损伤方面 g h 曲和t i n a w i g 利用损伤力学方法研究含初始裂缝的k o y n a 大坝在不同超高水位下的损伤导致的裂缝 扩展 说明了损伤中网格依赖性对分析结果有较大影响 并分析了k o y n a 重力坝在地震 中的断裂局部化现象 使用的弹脆性损伤模型仅考虑拉损伤的影响 c e v e r a o l i v e n 们 等建立了各向同性损伤模型 研究了k o v n a 重力坝和一拱坝在地震作用下的损伤破坏情 况 指出大坝的损伤基本是由于受到地震作用造成的拉损伤所引起的 认为大坝的非线 性性状可通过各向同性损伤模型描述 并建立了一个考虑应变率对混凝土刚度影响的损 伤本构模型 针对k 0 v n a 重力坝利用率相关和率无关模型进行动力损伤分析发现 对强 度等指标提高5 0 后的率无关损伤模型的分析结果和率相关损伤分析结果较相近并可 借鉴为动力安全评价 v a l l i a p p a n n 等采用考虑混凝土各向异性损伤模型对某双曲拱坝 进行非线性动力分析 并和线弹性分析做了比较 j e e h o k e 和f e n v e s n 2 3 采用了可考虑循 环加载的塑性损伤模型 并考虑受拉和受压下的材料强度降低和刚度退化 指出对k o v n a 大坝的破坏来说拉损伤比压损伤起的作用更显著 但震后大坝仍能维持稳定 忱d c h i k h a l 和v a l l i a p p a n n 3 3 利用连续损伤力学分析了k d y n a 混凝土重力坝的动力损伤响应 研 究表明l 幻v n a 坝的坝颈破坏是由于下游折坡处的损伤向上游面斜下发展造成的 并且不 同的坝基刚度比对混凝土重力坝的损伤响应将有较大的影响 近几年 损伤力学的研究在我国受到重视 针对大坝混凝土损伤破坏 国内几所高 校 研究机构分别开展了工作 不仅研究了历史上的典型震害l o v n a 大坝实例 并且对 我国诸多的重力坝 拱坝工程进行了损伤破坏分析 损伤力学方法研究混凝土大坝在国 内也得到了认同 张我华n 4 3 等从连续损伤力学的观点研究了岩体结构在动力作用下的脆性损伤分析 并研究了不同岩基对重力坝体内损伤分布的影响 杜成斌n 5 1 对k o v n a 坝进行了弹脆性损 伤力学地震响应分析 邱战洪等在连续损伤力学基础上 建立含脆性和粘弹塑性破坏的 非线性动力损伤本构模型 用于研究龙滩重力坝和坝基的地震响应和破坏过程分析 陈 健云 6 1 等使用李庆斌的动力损伤演化方程 考虑应变率因素 用于混凝土重力坝的地震 响应分析 杜荣强n 7 3 等就k o v n a 进行了弹塑性损伤地震响应分析 并对三峡大坝的一个 非溢流坝段进行了地震超载安全研究 并做了大坝的抗震安全评价 陈厚群d 明等对丰满 大坝的挡水和溢流坝段 考虑动接触和地基辐射阻尼的影响 研究了纵缝对坝体地震动 力反应的影响 并评价了丰满大坝的抗震安全性 冯树荣n 钔等对龙滩碾压混凝土重力坝 采用材料力学动力法和非线性有限元动力法分析 研究表明龙滩大坝具有较好抗震安全 性和一定超载情况 张国新心们用流形元和子域奇异边界元相藕合 对k o v n a 大坝进行了 大连理1 大学硕士学位论文 地震破坏模拟 指出重力坝的断裂是由于上下游表面的裂缝向坝体内部扩展引起的 较 好的模拟了该坝的动力破坏过程 破坏形式和裂缝出现的位置 鉴于混凝土坝震害事例 以及我国西部在建或拟建高坝面临的强震威胁 有必要采 用工程措施提高坝体抗震性能 针对在建的特高拱坝 工程界提出了横缝插筋 抗震带 坝面配筋以及坝踵切缝等抗震加固方案 其中张楚汉乜 郭永刚哑1 等发展了拱坝横缝配 筋的非线性地震反应模型 用于分析小湾拱坝横缝配筋加固措施的效果 龙渝川乜3 3 等应 用嵌入式滑移模型和钢筋刚化模型模拟混凝土重力坝配筋前后的地震动力响应 据此评 价坝面配筋措施的抗震效果 赵瑞东口4 1 用弹模增强模拟配筋用于重力坝配筋试验 何天 福 1 考虑混凝土塑性损伤用玻璃纤维模拟钢纤维加强混凝土进行了大坝振动台模型试 验 对于这类数值问题 沈怀至等用a b a q u s 软件对k o y n a 大坝下游折坡和坝踵处进行 了配筋数值计算 结果表明配筋措施可以明显的减小坝体损伤区的的范围 显著限制坝 体损伤区的扩展与贯穿 有效改善坝体的抗震性能 目前 有限元中钢筋混凝土大致有三种种模型啪1 1 分离式模型 把钢筋和混凝土 各自划分为足够小的单元 通过插入联结单元来模拟他们之间的粘结滑移关系 2 组合 式模型 不考虑钢筋与混凝土的滑移 但考虑混凝土与钢筋对单元刚度的贡献 3 整体 式模型 将钢筋分布于整个单元中 坝单元是为连续均匀材料 得到综合单元刚度矩阵 实际中 钢筋与混凝土相互之间的粘结一般通过梁式试验 中心拔出试验和长埋长局部 粘结一滑移试验测定 这些试验也只在一定条件下有意义 这样 对于钢筋混凝土模型 试验更是难以把握 方诗圣等晗7 3 指出能用微混凝土与细铁丝模拟钢筋混凝土 这对于我 们前期的实验有指导意义 1 2 2 混凝土坝模型材料 选择模型材料是试验中的关键问题 需要模拟的材料的物理力学特性主要有密度 弹性模量 泊松比 阻尼比 各种强度和变形等等 根据相似原理 模型材料的物理力 学特性要满足相应的相似判据 而材料的各种物理力学特性之间的关系是客观存在的 因此如一种物理力学特性满足相似判据 另一种物理力学特性就不一定能满足相应的判 据 近几十年来国内外许多学者都对模型材料进行了大量的研究 取得较显著的研究成 果 对各类模型试验材料的物理力学特性有了明确的认识啪1 混凝土坝动力模型试验所用的模型材料主要有软胶 乳胶 硬橡胶 石膏 水泥砂 浆和微粒混凝土材料 1 模型材料的选择和所具备的实验手段 试验目的和采用的试验 方法有关 前三种材料制成的模型主要用于研究混凝土大坝的频率 振型及弹性阶段的 动力反应 软胶模型只能用振动台起振 用直接摄影法记录 所有极低弹模材料制成的 碾压混凝十重力坝抗震措施模型试验研究 模型都有和软胶模型相同的特点 后四种材料可以用激振器也可以用振动台起振 可以 用各种电测传感器拾振 能够进行线弹性模型试验 部分也能够进行动力破坏试验 在 上述材料中以石膏类材料用得最普遍 1 软胶类材料 软胶类材料是由明胶 甘油和水加工而成 这类材料弹模较低 泊松比较大 难以用于振动台试验 因此现在已较少采用该种材料制作模型 大连理工大学在7 0 年代曾采用软胶模型进行重力坝和拱坝的动力模型试验啪1 倪 汉根等口订对软胶模型 石膏模型进行动力试验 并和原型脉动观测和有限元动力计算结 果进行了比较 无论频率 振型还是地震应力 大体上都是一致的 模型材料泊松比对 坝体频率和振型的影响可以忽略 2 乳胶材料 河海大学早期常用乳胶为胶结材料制作模型 夏颂佑等口2 3 较深入 地比较了加重乳胶与脆性材料的静 动态特性 江泉 杜成斌等口舢1 9 9 8 年采用低弹模的 加重乳胶作为模型材料 用小结构模型试验方法研究了带缝拱坝的动力特性和动力响 应 3 硬橡胶材料 橡胶类材料的泊松比约为0 3 5 o 4 5 加入水泥和石膏后可降低 到o 2 5 左右 比混凝土稍高一些 静弹模较低可在几百到几千兆帕内变化 临界阻尼比 约为5 8 橡胶类材料弹模变化范围较大 可用于大缩尺模型试验 并且还具有良 好的防水性 可制作挡水模型 用于研究坝体一库水动力相互作用 缺陷是温度稳定性 差 有较强的非线性特性 不适用于破坏性试验 文献口4 1 采用硬橡胶制作混凝土坝的模型研究了结构的动力特性 文献d 朝采用的加重 硫化橡胶材料制作喀拉塑克碾压混凝土重力坝整体模型研究了坝前动水压力分布形式 及随地震等级变化的趋势 上述三类模型材料不能模拟原型结构破坏阶段的形态 只能用以确定结构的动力弹 性反应或研究结构的频率 振型等动力特性 因此这类材料的用途十分有限 国外混凝 土坝动力模型试验中很少采用该类型的材料 4 石膏模型材料 坝体模型的优点有 易于加工 成本便宜 它的性质和混凝 土比较接近 均属于脆性材料 弹模约为1 0 0 0 5 0 0 0 m p a 泊松比为0 2 左右 且性能 稳定 适宜制作线弹性模型 也经常用于研究混凝土坝的动力破坏形态 配筋的石膏模 型则常用于模拟钢筋混凝土板 壳的破坏形态如确定塑性铰位置等 石膏虽是良好的脆 性材料 但其应力一应变曲线与混凝土应力一应变曲线除弹性段外 其余不相似 因此在 做应力结构模型试验如重点进行破坏试验时 宜采用石膏作为基本材料 在石膏浆中掺 入不同外加材料来改善石膏混合料的力学特性和变形特性 外加料一般为硅藻土 矽藻 土 粉煤灰 铅粉和各种岩粉等 也可以采用颗粒状的 如浮石 砂 水泥等 石膏模 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 型的弹性模量主要靠改变水膏比和矽藻土的分量来调节 国内外众多学者采用不同外加剂和配比来制作模型 并对其力学性质作了详细的研 究 葡萄牙的里斯本国家土木工程实验室做石膏模型试验在国际上比较有经验的 1 9 3 0 年美国垦务局用石膏硅藻土制作了当时世界上最高的b o u l d e rd a m 的结构模型 并进行 较完整的试验呻3 r a p h a e l a z e v e d o 等b 刀将石膏和硅藻土的混合材料用于大坝试验 石 膏主要提供强度 硅藻土主要用来保持石膏中的含水量 他们发现石膏和硅藻土的混合 物具有和混凝土一样的泊松比 同时强度还很低可以满足大坝试验材料的要求 b a l l l t i i l 和d u m e n k o m l 采用石膏 水 胶粉 铅粉 矿物油制作模型 胶粉和铅粉 用来调节密度 矿物油用来固定铅粉 降低材料的弹模和抗拉强度 在振动台上进行动 力模型试验 l y a t l l l e r 等汹1 采用石膏 胶粉 膨润土和铅粉等制作重力坝模型 进行了 离心机模型试验 研究破坏的t o k t o g i l l 大坝加速度峰值 n i w a 和c l o u 曲用石膏 硅藻 土 砂和铅粉制成一个拱坝和重力坝模型 模型在干燥过程中会出现收缩裂缝 n i v a 以石膏为基本材料研究了k b v n a 大坝的动力破坏特征 三个模型的离散性很大 d o n l o n wp 和h a njf 4 们采用石膏 砂 矽藻土和铅粉等制作成模型对p i n ef l a t 重力坝进行了 小比尺振动台模型试验 通过加压的方法解决模型干燥过程中出现收缩裂缝问题 在国内 早期也采用石膏来制作混凝土坝模型 并对其物理力学性质进行了深入研 究 王庆寿等6 0 年代初对石膏矽藻土的物理学性质作了比较详细的介绍 测试了石膏 矽藻土中缓凝剂的最佳掺入量 弹性模量及收缩性质 河海大学7 0 年代至8 0 年代通过 对新安江 乌江渡 安康等工程进行静力结构模型试验和对湖南镇 安康和石门等工程 结构动态模型试验m 1 研究了石膏混合料的弹模随荷载 时间 温度 湿度等变化的情 况 水科院1 9 6 6 1 9 6 8 采用石膏混合料制作模型研究了猫跳河双拱坝的结构应力 张镜剑等h 在1 9 8 4 年研究了石膏材料和混凝土材料间断裂力学性能的相似性 赵 中极h 羽为了研究重力坝破坏机理和探讨用断裂力学分析坝踵水平裂缝的初始扩展 进行 了石膏块体断裂破坏试验 研究了石膏材料的断裂韧度 张林等通过对碾压混凝土试件 与模型石膏材料试件进行了断裂试验 获得了两种材料的断裂韧度及荷载与加载点位移 全过程曲线 林忠和采用二水石膏为模型材料对某双曲拱坝进行了物理模型试验 研究 了静力荷载下的超载系数 张立翔等h 3 3 以石膏为主 外加水泥 粉煤灰 铁粉等配料对 景洪水电站重力坝大孔口坝段进行了抗震试验研究 杜青 毕佳等h 郇研究了石膏用量 水的用量 缓凝剂对石膏相似材料强度的影响 并找到了符合脆性岩体性能的石膏的优 良配方 石膏与岩石的结构及破坏方式均类似 是一种较好的模型相似材料 5 水泥砂浆 水泥砂浆类的模型材料是以各种水泥为基本胶凝材料 外加可用 粒状或粉状材料 按适当比例配制而成 该类材料包括水泥浮石 水泥炉渣混合料以及 碾压混凝士重力坝抗震措施模型试验研究 水泥砂浆等 国外多用水泥浮石混合料 水泥浮石作为模型材料是由意大利奥伯梯教授 提出并使用 由于这种材料具有多种优点 很快成为意大利贝加莫结构模型试验所 i s m e s 的主要模型材料 我国早期也曾使用过 但较多的还是采用水泥砂浆来制作 结构模型 这种模型材料的密度 泊松比都很容易与实际混凝土一致 但弹模总是比石 膏模型高 因此要求激振器有较大的激振力 水科院1 9 6 0 年采用水泥浮石混合料制成盐锅峡水电站的钢筋混凝土蜗壳进行了整 体结构模型试验 并对陈村重力拱坝结构破坏试验 宫必宁h 5 采用矾土水泥 铁粉 水 机油等按一定的配比研制合成脆性材料 在振动台上研究了重力坝地震动水压力 配制 成的材料性能稳定 物理力学性能在线弹性和塑性段与混凝土材料比较相似 g u t i d z e 采用水泥和沙作为基本材料 以胶粉和膨润土为添加剂 制作拱坝模型 来确定地震应力状态 d a v i d 等m 1 由水泥 水 河沙 粗砂和粉煤灰组成混合材料 研 究了k o y n a 大坝的动力破坏特征 材料中掺入粉煤狄来主要是减小材料强度 试验结果 表明 该材料开裂特征比石膏要好一些 但也会出现收缩裂缝 6 微粒混凝土材料 微粒混凝土是由胶凝材料水泥 水和人工配制的连续级配 骨料 按适当的比例配合拌制而成的混合物 经一定时间硬化而成的人造石材 以较大 粒径的砂砾 2 5 5 m m 作为粗骨料代替普通混凝土中的碎石 以较小粒径的砂砾 0 1 5 4 2 5 m m 作为细骨料代替普通混凝土中的砂砾 微粒混凝土不同于砂浆 而和 普通混凝土一样 是一种由几级连续级配组成的混凝土 其级配结构与力学性能和普通 混凝土相似 是一种理想的模型试验材料 上世纪六十年代初 人们开始用微粒混凝土做结构模型实验 由于对材料的特性还 不甚了解 以微粒混凝土为模型材料的结构模型试验没有得到广泛应用 七十年代起 美国 英国 意大利等国家对微粒混凝土作了进一步研究 通过大量试验对其力学特性 有了深入的了解 国内同济大学 西安交通大学 合肥工业大学等单位的研究人员对微 粒混凝土材料的特性进行过试验研究h 7 1 而且许多单位使用微粒混凝土材料建造高层结 构模型进行动力模型分析 取得了一些成果 现在微粒混凝土试验不但有非预应力钢筋 的 也有预应力钢筋的 并用于弯 剪 粘结与滑移等方面基本构件的受力性能研究和 高层建筑 大型水坝 各类型的板壳 各种形式的桥梁等复杂结构的受力分析和设计中 在钢筋混凝土结构的各个领域 都进行过微粒混凝土结构试验 鞠杨等h 踟介绍了微粒混凝土的配制技术 并采用弯折和劈裂试验对微粒混凝土的受 拉性能进行了研究 得出了微粒混凝土的抗拉强度高于同标号的普通混凝土的结论 配 筋可以延缓内部微裂缝的产生和扩展 提高微粒混凝土的抗拉强度和极限拉应变 杨政 等对微粒混凝土的受压应力应变全曲线进行了试验研究 得到一系列应力应变曲线 发 一8 一 大连理工大学硕十学位论文 现微粒混凝土的应力应变曲线与同标号普通混凝土的应力应变曲线相似 沈朝勇等m 3 在微粒混凝土中加入陶粒 粉煤灰 浮石等不同的骨料 研究不同骨料对微粒混凝土弹 模变化的影响 发现随添加骨料含量的增加 微粒混凝土的弹模呈一定规律降低 其中 浮石的效果最好 方诗圣 胡成等咖1 研究了微粒混凝土棱柱 立方体试块的抗压 抗拉 强度及应力应变曲线 采用拉杆试验研究了模型钢筋与微粒混凝土的粘结性能 在水工 结构模型试验方面 陈进 王光纶等采用微粒混凝土制作模型 研究了重力坝在各种荷 载作用下的结构特性和破坏规律 吴文清等基于钢筋混凝土模型试验理论 对大坝内泄 水孔的孔口结构受力性能进行了微混凝土模型试验 大连理工大学经过多年的试验工作经验的累积 采用水泥 重晶石 重晶砂 矿石 粉及外加剂等材料配制成一种低强度的混凝土仿真材料口 由立方体试件得到的仿真混 凝土极限抗压强度一般在0 6 m p a 0 8 m p a 之间 试块的抗压试验应力一应变关系以及破 坏形式和混凝土较相似 由四点弯曲梁方式测得的仿真混凝土的极限抗拉强度约为 3 0 l p a 3 5 l p a 典型的抗拉试验应力一应变曲线基本上呈线性关系 与原型混凝土具有 相同的力学特性璐引 仿真的概念即要使模型能够反映原型结构历经弹性阶段 弹塑性阶段直至破坏断裂 阶段的主要性态和满足弹性力相似 重力相似甚至弹性力一重力相似的相似要求 亦即 全过程结构模型动力相似的试验要求 即进行模型动力破坏试验 此时的模型与原型问 的相似条件主要有 内力一重力一惯性力一面力相似 材料应力一应变曲线相似 材料累积 损伤曲线相似 材料断裂特性相似等 要满足这样的相似条件 最理想的莫过于能够采 用原型材料进行足尺模拟动力试验 但由于目前的试验设备条件的限制 试验的模型与 原型之间几何尺寸上存在较大的差异 对一般土木工程研究对象而言 模型结构的几何 尺寸一般远小于原型结构 原型与模型间的几何比尺在十几倍到上百倍之间 为准确而 方便地测出模拟结构的自振频率 振型 加速度响应 应力应变和变形等动特性参数 需要模型结构具有较低的弹性模量和合适的密度 而要准确地再现结构的破坏过程 就 需要模型材料具有与原型材料相近似的脆性和断裂性态 总之 仿真材料应具有与混凝 土材料相似的基本均质 线弹性和破坏断裂脆性 试验中可以很好地再现大型混凝土结 构的动力弹性一塑性一断裂破坏的全过程 1 2 3 模型试验与技术 混凝土坝的动力模型试验大体上可以分为两类 一类是起求解作用 如坝体结构模 型弹性动力试验 另一类动力模型试验是为了搞清楚所研究问题的物理机理 如坝体结 构模型动力破坏试验 对于后一类问题 还没有准确的描述运动状态的方程 模型试验 一9 一 碾乐混凝十重力坝抗震措施模璎试验研究 的目的是为了了解大坝的非线性地震响应 研究大坝的地震破坏机理 建立比较符合实 际的力学模型 或检验由假定的力学模型所得到的分析结果 图1 1 抗震试验过程图 f i g 1 1 p r o c e s sd r a w i n go f 弱e i s m a t i ct e s t 二次世界大战结束后到六十年代末期世界高坝建设迅速发展 结构模型试验也相应 得到推广和发展 著名的意大利贝加莫结构模型试验所 i s m e s 和葡萄牙里斯本国家土 木工程研究所 u 厄c 均是在该期间建立的 其它国家也相继开展了结构模型试验的研 究 如日本从1 9 5 3 年开始的 前苏联则从五十年代后期开始隋引 美国7 0 年代对n o n hf o r k 拱坝进行了一系列的动力模型试验瞰壕1 模型包含了一 部分地基 坝前模拟了水库 库底铺沙模拟淤沙 在变化的水荷载作用下 观察到共振 现象 该试验组还对l o y n a 重力进行了空库动力模型试验 kb a b a 等脚1 1 9 8 0 年拱坝动