基于abaqus的高拱坝横缝配筋抗震措施效果分析

基于abaqus的高拱坝横缝配筋抗震措施效果分析

水库是一种有利于地震的水库。目前，该水库已被洪水淹没。但在强震作用下,拱坝中的横缝过度张开可能导致缝间止水破坏,造成库水渗漏和坝体应力的重分布,使拱向应力释放,梁向应力变大,严重影响坝体结构的整体性,甚至危害结构安全。因此,必须采取适当措施控制横缝开度,增强拱坝整体性。常用的措施有横缝插筋和布设阻尼器两种。跨缝钢筋的铺设工作量若较大将会影响灌浆时横缝开度、加大施工难度,影响工期,提高工程造价;而阻尼器的安置相对容易,仅需事先预留安装坑,对工期没有干扰。近年来,国内对高拱坝抗震措施研究已取得一定成果,但就横缝插筋和布设阻尼器分别应用于同一座高拱坝并对比这两种措施加固拱坝效果则较少见。鉴此,本文基于ABAQUS有限元软件,以大岗山高拱坝为例,对这两种措施进行了对比研究,为高拱坝抗震措施的选择提供一些有价值的参考。1基材料非线性伸缩缝模型本文考虑了横缝开合的接触非线性,未考虑坝体、坝基材料的非线性;由于伸缩缝上设有键槽,模型中也不允许缝面间有相对的剪切滑移。在研究横缝动接触的非线性行为及两种抗震措施时,主要有以下3种模型。1.1缝合强度对坝体非线性反应的影响拱坝横缝缝面的相对位移vi和缝应力qi之间的关系为非线性。据文献知,横缝抗拉强度对坝体非线性反应几乎无影响,因此在模拟拱坝横缝力学行为时忽略横缝的抗拉强度,qi与vi满足:式中,ki为缝闭合时的刚度。1.2钢筋等效弹簧模型的建立横缝配筋模型采用传统钢筋混凝土有限元理论中的整体式模型来考虑钢筋的宏观效果,即将横缝的钢筋面积弥散于钢筋所处的横缝缝面单元的节点上,采用点—点模型,通过在接触点对法向上增加一个与分布钢筋等效的弹簧值来表示钢筋作用。钢筋采用理想弹塑性模型。该等效弹簧值为:Fs=KnsΔL(2)其中Kns=EsA0/l式中,Kns为缝面单元上钢筋等效弥散刚度;Es为钢筋的弹模;A0为单元接触面上的钢筋截面面积总和;l为缝面两侧钢筋总的自由段长度;ΔL为横缝开度。1.3粘滞流体运动方程阻尼器的两端分别固定在横缝两侧坝体混凝土单元面的节点上。粘滞阻尼器阻尼力的力学模型为:Fd=sign(v)C|v|ζ(v)C|v|ζ(3)式中,Fd为阻尼力;sign(v)(v)为v的速度方向,阻尼器两端相对靠近时取正;v为阻尼器两端的相对速度;C为粘滞阻尼系数;ζ为粘滞流体的流动系数。采用法国的坚利特(Jareet)阻尼器,C=8.50×103kN/(m·s-1)ζ,流动系数ζ=0.08。2有限元计算分析大岗山拱坝为双曲抛物线拱坝,坝高210.00m,坝底高程925.00m,顶拱中心线弧长622.42m。坝体混凝土的静弹模为24GPa,动弹模均取为静弹模的1.3倍,重度为24kN/m3,泊松比为0.17。考虑地基为非均质弹性介质,按不同岩类选取相应的变形模量值和泊松比νr,见表1。设计地震反应谱采用《水工建筑物抗震设计规范》规定的标准谱,按重现期5000年、超越概率为0.02确定的设计地震水平向最大峰值加速度为0.5575g,竖向取为水平向值的2/3。采用无质量地基,在截断边界三向均匀输入地震。按全部由梁承担的分缝自重来考虑坝体自重,用有限元法以附加质量来考虑动水压力的影响,同时还考虑了泥沙压力和温度荷载。选取死水位1120m时的3种工况。①工况1。未采取任何加固措施。②工况2。在横缝上配置穿横缝钢筋;采用Ⅲ级钢筋,静态屈服强度为400MPa,弹性模量为200GPa,直径D为40mm;据文献选取相对合理的配筋率布置,计算时横缝两侧的钢筋自由段长度共取8m(每侧4m);钢筋间距为10D、沿坝厚的上下游1/3部位配筋;钢筋布置位置见图1,图中阴影处表示配筋区。从厚度方向看,坝体有限元网格分为3层,在每条横缝上游侧和下游侧的单元配置钢筋,在中部坝体混凝土单元上不布设钢筋,配筋高度为31m;上、下游配筋面积均为234.4m2。③工况3。在全部28条横缝的缝面顶部各布置4台阻尼器,中间21条横缝在高程1080m处各布置2台阻尼器,布设方案见图2(图中黑点表示阻尼器)。3抗震加固设计在假定坝体混凝土材料为线弹性、地基为无质量截断地基,并考虑横缝张开非线性条件下,当大岗山拱坝在死水位运行工况未配置钢筋、遭遇规范标准谱设计地震荷载袭击时,其最大横缝开度可达到18.67mm,坝体最大拉、压应力分别为6.66、13.40MPa,表明非线性地震反应显著,因此需采取抗震加固措施。图3、表2、图4分别为3种工况最大横缝开度分布、极值应力及最大横缝开度比较、下游坝面拱和梁向应力等值线。3.1端部钢筋变形考虑地震时横缝反复开合,钢筋残余变形将逐次累积,地震后将阻止横缝闭合,有必要合理选取有关钢筋的参数使钢筋应力保持在弹性范围内。按工况2方案,最大横缝开度11.65m,由于横缝两侧的钢筋自由段长度为8m,可估算端部钢筋的最大应变为1.456×10-3,在Ⅲ级钢筋的弹性变形范围内。由图3、表2可看出:①配置穿横缝钢筋后,最大开度分布曲线的规律与极值均发生明显变化,峰值位置由左岸坝肩转移到拱冠梁附近,总体看最大横缝开度沿顶拱分布趋于平缓。②配筋后横缝开度值显著降低,横缝最大开度由工况1的18.67mm减小到11.65mm,减幅35%以上,表明横缝配筋能提高拱坝的整体性。由图4、表2可看出,配置穿横缝钢筋后应力分布的规律与极值变化不明显。由于穿横缝钢筋对横缝拱向的约束作用,拱向的拉应力极值略有增加,梁向拉应力得到一定程度改善,但量值变化幅度较小。3.2阻尼器在坝体抗侧力方面的应用结果由图3、表2可看出,配置阻尼器后,最大开度分布曲线的规律未发生变化,峰值大小在整个坝面上总体趋势减小,但减幅有限。从横缝开度极值对比看,最大横缝开度仍发生在左岸坝肩附近(#5横缝),其值由18.67mm下降至18.31mm,变化极微;总体上横缝开度的减幅基本在10%之内,对坝体整体性增强作用不大。由图4、表2可看出,配置阻尼器后坝面应力的分布规律、最大应力出现的部位基本上无变化,各应力量值也仅有微小不同,表明阻尼器措施对改善坝体应力的效果微弱。设置阻尼器抗震效果不显著的原因是:由阻尼器作用机理知,阻尼力与缝面张开的相对速度呈正比,而速度和位移之间有π/2的相位差。图5为某一横缝张开度与缝面节点相对速度的相位比较(图中横缝开度与节点相对速度已作归一化处理)。由图可看出,横缝张开最大的时刻恰好速度为零,此瞬间阻尼器基本不起作用。可见,采用布设与速度相关的粘滞性阻尼器作为抗震措施效果不佳。4大岗山拱坝混凝土施工质量要求a.配置穿横缝钢筋对于横缝张开度的控制效果较为显著。对大岗山拱坝,若在坝体上部30m高的范围内布设近1.4×104t的穿横缝钢筋,可使最大横缝开度减小35%以上,表明横缝配筋比阻尼器更能提高拱坝的整体性。但因配置穿横缝钢筋给施工带来的干扰问题,仍值得进一步探讨。b.对大岗山拱坝,在现有抗