强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究(1).pdf

水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期 W aterR esources and Hydropower EngineeringV ol1 41 No12 强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究 李 昇 1 2 张社荣1 贾 璐3 黄 虎1 11天津大学 建筑工程学院 天津 300072 21水利部水电水利规划设计总院 北京 100120 31河南省电力勘测设计院 河南 郑州 450007 摘 要 采用混凝土弥散性裂缝模型 运用非线性模型对国内某高混凝土重力坝进行破坏模式 研究 通过地震超载法得到各类典型坝段最终破坏形态 并对典型坝段的裂缝演化进行了时间 历程模拟 得到裂缝出现 发展至坝体破坏全过程 研究得出了不同类型坝段在极限地震荷载 作用下的破坏规律 并对重力坝抗震关键部位和薄弱环节进行了总结 为实际工程中采取工程 措施提供了参考 关键词 破坏模式 混凝土重力坝 动力分析 非线性 超载法 中图分类号 TV312 TV64213 文献标识码 A 文章编号 1000 0860 2010 02 0022 05 Study on failure mode for concrete gravity da m under i mpact of strong earthquake LI Sheng 1 2 ZHANG She rong 1 JIA Lu 3 HUANG Hu1 11College of CivilEng ineering T ianjin University T ianjin 300072 China 21Hydropo wer andW ater Resources Planning and Design General Institute MWR Beijing 100120 China 31Hennan Electric Power Survey which provides some references for the engineering measures taken in the actual construction concerned1 Keywords failure mode concrete gravity da m dyna m ic analysis nonlinear overloading method 收稿日期 2009 11 12 作者简介 李 昇 1960 男 教授 博士 西南地区是我国强震频发地区 目前 龙开 口 阿海等一批高混凝土重力坝正在这些强震区进 行建设 抗震安全问题十分突出 重力坝破坏模式 研究是重力坝抗震能力和抗震安全性评价的关键问 题 目前 世界上重力坝震害典型工程仅有伊朗的 SefidRud大头坝 印度的 Koyna重力坝和我国的新 丰江大头坝 人们对强震作用下混凝土重力坝的非 线性动力响应 破坏过程 破坏机理和破坏模式等 还知之甚少 传统的混凝土重力坝线弹性动力分 析 由于不能考虑材料非线性所造成的应力重分 布 则拉应力对结构安全产生的不利影响难以做出 准确判断 本文采取混凝土弥散裂缝模型 运用时 程分析法对典型坝段在超载地震荷载作用下的响应 进行了研究 模拟了重力坝动力破坏过程 分析重 力坝的破坏形态和裂缝出现位置以及裂缝的发展过 程 并进行抗震安全性评价 得出了一些强震作用 下重力坝破坏的基本规律 1 重力坝破坏模式研究方法 目前 研究混凝土重力坝在地震过程中破坏模式 主要有室内模型试验 数值计算及理论分析 动力破 22 李 昇 等M强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究 水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期 坏模型试验能够在一定程度上反映原型混凝土重力 坝在强震作用下的非线性动力响应 破坏过程和破 坏形态 但由于影响混凝土重力坝动力响应和破坏 形态的因素很多 模型试验无法考虑全部影响因 素 需要结合数值计算进行研究 材料力学法思路 明确 目前重力坝设计规范有与之配套的设计标 准 但材料力学法在动力计算中 只能采用伏格特 公式近似地考虑地基弹性对坝体地震动力响应的影 响 没有考虑坝体材料非线性因素 对地震波输 入 地基质量和阻尼的影响也无法准确描述 目 前 随着计算机技术的发展 有限元法以其能够有 效地解决复杂结构的应力分析 逐步成为重力坝抗 震计算的一个可行 可靠的手段 弥散裂缝是模拟混凝土开裂行为常用的一种方 法 弥散裂缝模型采用非弹性开裂应变等效模拟裂 缝 通过调整材料软化本构关系 满足断裂能守恒准 则 弥散裂缝力学模型能自动确定裂缝起裂 扩展的 完整信息 具有较高的计算效率 被广泛应用于大体 积混凝土动力材料非线性研究 ANSYS中 SOLID65单元是专门为混凝土 岩石 等抗压能力远大于抗拉能力的非均匀材料开发的单 元 该单元采用 W illam W a mke五参数破坏曲面 可 以模拟混凝土材料的开裂 压碎 塑性变形和蠕变的 能力 111 开裂模拟 通过修正应力 应变关系 引入垂直于裂缝表 面方向上的一个缺陷平面来表示在某个积分点上出 现了裂缝 当裂缝张开时 后继荷载产生了在裂缝 表面的滑动或剪切时 引入一个剪切传递系数来模 拟剪切力的损失 如果裂缝是闭合的 那么所有垂 直于裂缝面的压应力都能传递到裂缝上 但是剪切 力只传递原来的 Bc 0 B 1 倍 SOL I D65单元的 状态可以分为张开裂缝 闭合裂缝 压碎和完整单 元共 4种 在具体结构的应用中 可以有 16种不同 的排列组合方式 112 压碎模拟 假如在单轴 双轴 三轴压力作用下 某个积分 点上的材料失效了 就认为这个点上的材料压碎了 在 SOL I D65单元中 压碎意味着材料结构完整性的 完全退化 当出现压碎情况时 材料强度已经退化到 在积分点上对单元刚度矩阵的贡献完全可以忽略的地 步 113 失效准则 ANSYS中的混凝土材料可以预测脆性材料的失 效行为 同时考虑了开裂和压碎失效模拟 多轴应力 状态下混凝土的失效准则表达式为 F ft S 0 1 式中 F是主应力的函数 S 表示失效面 是关于主 应力及 ft fc fcb f1 f25个参数的函数 其中 ft 为单轴极限抗拉强度 fc为单轴极限抗压强度 fcb为 等压双轴抗压强度 f1为静水压力下的双轴抗压强 度 f2为静水压力下的单轴抗压强度 若应力状态不 满足式 1 则不发生开裂或压碎 根据不同受力特征可将混凝土的破坏区域分为 4 个 压 压 压区 0 R1 R2 R3 拉 压 压区 R1 0 R2 R3 拉 拉 压区 R1 R2 0 R3 和拉 拉 拉区 R1 R2 R3 0 在每一个区域可 以用独立的函数 F 和破坏面 S 来表示 则函数 F 在 不同区域分别被表示为 F1 F2 F3和 F4 同时函数 S也相应地被表示为 S1 S2 S3和 S4 函数 Si i 1 2 3 4 具有如下性质 所描述的破坏面是连续的 当任意一个主应力改变符号时破坏面的梯度是不连续 的 2 重力坝抗震能力与破坏形态 以国内某重力坝的挡水坝段 厂房坝段 溢流坝 段三类典型坝段为例 输入地震波为标准反应谱生成 的人工地震波 地震波幅值按地震超载系数进行调 整 211 工程基本资料 该重力坝为国内某碾压混凝土重力坝 坝高 143m 坝区场地为 类 设防烈度为 8度 100年超越概率 2 的地震动峰值加速度为 01229g 地震波持时 20 s 地震动采取水平向和竖向同时输入 竖向地震加速度 代表值 av取水平向加速度代表值 ah的 2 3 人工地 震波加速度时程如图 1所示 不同超载系数下地震波按幅值比例进行调整 分 别取地震超载系数 1100 峰值加速度为 01229g 1131 峰值加速度为 013g 1175 峰值加速度为 014g 2118 峰值加速度为 015g 2140 峰值加速 度为 0155g 在地震超载系数为 2140后每隔 0101g 增加一个计算工况 直至坝体破坏 212 计算模型和参数 图 2为 3个典型坝段有限元计算模型 坝基模拟 范围 顺河向上游取 115倍坝高 下游取 115倍坝 高 坝底以下竖直向下取 115倍坝高 坝体混凝土采 用 Solid65单元 坝基岩体采用 Solid45单元 挡水坝 23 李 昇 等M强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究 水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期 图 1 人工地震波加速度时程 图 2 坝体网格剖分 段共计节点 3 654个 单元 2 868个 厂房坝段共计 节点 4 200个 单元 3 242个 溢流坝段共计节点 9 308个 单元 7 940个 在动力计算中 坝基取无质量地基 动水压力 采用 W estergaard公式计算 基本荷载组合为 上游 正常蓄水位水压力 下游相应尾水位水压力 坝体 自重 上游淤沙压力 坝基面扬压力 地震荷载 依据现行抗震规范规定 混凝土动态强度和动态弹 性模量的标准值较其静态标准值提高 30 混凝土 动态抗拉强度取为动态抗压强度标准值的 10 基 岩动态变形模量及动态抗剪断指标取静态值 坝体 碾压混凝土力学指标为 C20 静弹模 2515 GPa 动 弹模 33115 GPa 泊 松比 01167 动 态抗 拉强 度 31302MPa 213 计算结果及分析 在地震荷载作用下 重力坝会产生较大范围的 拉 压应力集中区 这些应力集中区产生于地震过 程中不同时刻 且拉 压应力交替产生 这种循环 应力状态对混凝土材料非常不利 部分混凝土会产 生损伤和弱化 使结构相应部位出现开裂并进一步 发展 图 3 图 5给出了 3种典型坝段在不同地震加速 度下的裂缝发展状态 对于挡水坝段 当 ah 0150g 时 坝体在坝踵处和下游面反弧段出现裂缝 裂缝位 于坝面上 当 ah 0155g时 在坝头上 下游面均出 现裂缝 且开始向坝体内部延伸 当 ah 0157g时 在坝头上 下游面裂缝区域面积进一步扩大 并有上 下游贯穿的趋势 但整个坝头仍能保持一定整体性 当 ah 0160g时 坝头处裂缝完全贯穿 裂缝向坝体 内部迅速扩展 根据计算过程显示 在 ah 0160g 时 非线性计算不收敛 说明此时在一定荷载条件 下 结构变位趋于无穷 图 3 挡水坝段不同峰值加速度下破坏形态 图 4 厂房坝段不同峰值加速度下破坏形态 对于厂房坝段的裂缝发展方式为 坝踵 下游 面反弧段坝踵 下游面反弧段区域扩大 上游折 坡处裂缝区域面积进一步扩大下游面反弧段裂 缝贯穿 溢流坝段裂缝发展方式为 坝踵 边墙上 表面坝踵 边墙区域扩大坝踵 边墙区域扩 大 溢流堰面坝踵 导墙贯穿 溢流堰面裂缝内 部延伸 24 李 昇 等M强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究 水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期 图 5 溢流坝段不同峰值加速度下破坏形态 表 1为各典型坝段抗震能力和破坏形态汇总 可 以看出 从三类坝段抗震能力比较来看 挡水坝段抗 震能力较弱 地震超载系数为 2162 峰值加速度为 0160g 溢流坝段抗震能力最强 地震超载系数为 3128 峰值加速度为 0175g 从各坝段抗震薄弱部位 来看 挡水坝段和厂房坝段主要集中在坝头处 溢流 坝段则表现为溢流堰面和下游边墙 从各坝段破坏发 生时间来看 三类坝段的破坏均发生 815 s以后 由 于输入两向地震波峰值均出现在 t 1 7 s内 说明 考虑了混凝土材料的非线性后 破坏的发生存在一定 的滞后性 图 7 不同地震作用下坝顶顺河向位移时程曲线 表 1 各典型坝段破坏模式 典型坝 段坝型 顺河向峰值 加速度 g 发生时间 s 破坏形态 挡水坝段01608156 坝头上下游裂缝基本贯穿 坝体上游 坝面折坡处和下游坝面出现若干条裂 缝 下游坝面裂缝向坝体内部延伸约 14 m 厂房坝段01638164 坝头上下游裂缝基本贯穿 坝体上游 面折坡处出现两条较大裂缝 裂缝向 坝体内部延伸约 40 m 溢流坝段01758176 裂缝沿闸墩与坝体交界面向下游基本 贯穿 边墙出现较大范围裂缝 裂缝 向坝体内部延伸约 25 m 3 重力坝破坏过程分析 由于混凝土材料的非线性 重力 坝破坏是一个塑性区逐渐累计 渐进 破坏的过程 对重力坝破坏过程的分 析 需要找出各典型坝段的抗震关键 部位和薄弱环节 为采取配筋等工程 措施提供依据 图 6给出了超载系数 为 2162 峰值加速度为 0160g 时 挡 水坝段坝体开裂演化趋势 图 6 挡水坝段开裂状态演化趋势 从图 6可以看出 t1时刻 在坝头下游面反弧 段中间附近和坝踵处首先出现裂缝 t2时刻 反弧 段张开裂缝向上游水平向扩展 坝踵处裂缝受压闭 合 并未继续发展 同时上游坝面开始出现裂缝 t3时刻 坝头处裂缝进一步向坝体内部扩展 下游 坝面陆续出现第二条 第三条裂缝 t4时刻 裂缝 开始贯穿整个坝头 裂缝状态趋于复杂 混凝土应 力重分布后出现二次开裂 在地震时程中 坝头处 裂缝随坝体震动张开和闭合 坝体最终由于张拉裂 缝而导致破坏 通过上述计算分析可以看出 坝踵部位由于应力 集中最先导致裂缝的产生 但是随之产生的应力重分 布不利于裂缝向坝体内部的扩展 裂缝多为单向闭合 裂缝 因此坝踵部位裂缝范围很小 不会对坝体的安 全起决定性的影响 而坝头部对地震动的响应最为敏 感 裂缝自下游反弧段开裂向上游面迅速扩展 在 t5 618 s时贯穿整个坝头 这部分的损伤将直接导致 坝体破坏 此外上游折坡部位也出现了一定范围的裂 缝 图 7 给出了超载系数 为 215 峰 值加速度为 0157g 和超载系数为 2162 峰值加速度为 0160g 时 挡水坝段坝顶顺河向位移时程曲线 从图 7 a 可以看出 当地震超载系数为 215时 顺河向位移幅值在震动初始阶段逐渐增大 在 t 8108 s时 顺河向位移达到最大值 11319 mm 以后 坝的位移幅值逐渐减小 这说明在 t 8108 s以后 25 李 昇 等M强震作用下混凝土重力坝破坏模式研究 水利水电技术 第 41卷 2010年第 2期 整个坝头虽然前后摆动 但坝头处裂缝并未进一步 发展 结构仍能保持一定的整体性 图 7 b 为地 震超载系数为 2162时 坝顶顺河向位移时程曲线 从图中可以看出 在 t 712 s后顺河向位移也发生了 明显的突变 幅值不断上升 在 t 8156 s时 顺河 向位移达到 32315 mm 非线性计算不收敛 位移有 迅速增大的趋势 可以认为坝体已经破坏 4 结 语 本文采用非线性模型对强震作用下重力坝破坏模 式进行了数值模拟 对三类典型坝段地震超载性能进 行计算 得到了各类坝段在不同地震烈度下的破坏形 态 通过对重力坝地震破坏过程 坝体开裂演化趋势 分析 得出以下结论 1 强震作用下 重力坝坝身拉 压应力交替产 生 这种循环应力对混凝土这种拟脆性材料非常不 利 导致坝体部分区域出现混凝土开裂 并随地震过 程进一步发展 2 重力坝各类坝段地震超载能力不同 计算结 果显示各类坝段地震超载系数在 215 315之间 挡 水坝段地震超载能力较弱 溢流坝段超载能力较强 这与各类坝段沿地震波方向结构刚度相关 不同典型 坝段地震破坏形态不同 挡水坝段和厂房坝段的破坏 形态主要表现在坝头处上下游面裂缝贯穿 而溢流坝 段破坏形态表现为闸墩和边墙处裂缝贯穿 3 重力坝破坏是坝身裂缝累积 渐进破坏的过 程 在进行非线性动力分析的同时 应判断各类裂缝 形态及裂缝发展趋势 找出其地震超载敏感区 以挡 水坝段为例 坝踵部位首先出现裂缝 但裂缝多为单 向闭合裂缝 随之产生的应力重分布不利于裂缝向坝 体内部的扩展 因此坝踵部位裂缝不会对坝体的安全 起决定性的影响 而坝头部位对地震动的响应最为敏 感 此处裂缝多为张开裂缝 随着地震超载系数的增 加 裂缝自下游反弧段开裂向上游面迅速扩展并贯穿 整个坝头 4 在实际工程中 要加强大坝的强震观测和监 控 在抗震关键部位和薄弱部位进行预应力配筋和锚 索加固等工程措施 以提高大坝的抗震安全性 参考文献 1 Lee J FenvesG L1 A plastic danger concrete model for earthquake analysis ofdams J 1 Earthquake Engineering and StructuralDynam ic 1998 27 937 9561 2 张社荣 卢向丽 1 拱形重力坝地震动力反应分析 J 1 水力发 电学报 2004 4 2 65 681 3 陈厚群 侯顺载 涂 劲 等 1 丰满大坝抗震动力分析和安全 评价 J 1大坝与安全 1999 3 28 351 4 张国新 金 峰 王光纶 1 用基于流行元的子域奇异边界元法 模拟重力坝的地震破坏 J 1工程力学 2001 18 4 18 271 5 程尧平 1 混凝土重力坝整体抗震安全性研究 D 1 天津 天津 大学 20081 6 范书立 1 混凝土重力坝的动力模型破坏试验及可靠性研究 D 1 大连 大连理工大学 20071 责任编辑 欧阳越 简 讯 天津市水