沙牌碾壓混凝土拱壩損傷開(kāi)裂分析

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1、沙牌碾壓混凝土拱壩損傷開(kāi)裂分析第4l卷第2期20O1年3月大連理工大學(xué)JournalofDalJanUniversityofTechnologyVo1.41.No2Mar2001文章編號(hào);1000-8608(2001)02—0244—05沙牌碾壓混凝土拱壩損傷開(kāi)裂分析黃迭海,高政國(guó),宋玉普.(1.清華學(xué)水利水電工程系.北京100084;2.大連理工大學(xué)土木建筑學(xué)院,遼寧大連116024)摘要:碾壓混凝土拱壩的提度裂整與一般混凝土壩的溫度裂整有本質(zhì)區(qū)別.為了有救控制顫體開(kāi)裂,要求分縫設(shè)計(jì)與應(yīng)力場(chǎng)仿真分析密切結(jié)音目

2、此進(jìn)行了沙牌碾壓混凝土拱顫三維非線性直力場(chǎng)曲奎過(guò)程仿真舟析,在此基礎(chǔ)上對(duì)拱垣在不同舟整情況下的損傷開(kāi)裂行為進(jìn)行了研究.計(jì)算中考慮了涅度荷載,自重,靜水壓力,混凝土鐐變和自生體積變形等情況.通過(guò)計(jì)算分析得出了妒牌碾壓混凝土拱塤的開(kāi)裂規(guī)律,為涉牌碾壓混凝土拱壩的分縫設(shè)計(jì)提供了依據(jù).關(guān)鍵詞:拱壩/碾壓混凝土;徐變應(yīng)力{誘導(dǎo)縫中圖分類號(hào):TV642.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A0引言碾壓混凝土拱壩的溫度裂縫與一般混凝土壩中經(jīng)常發(fā)生的表面溫度裂縫相比,在性質(zhì)上有很太不同.表現(xiàn)在;(1)大部分溫度荷載來(lái)自施工期的溫升和溫度回落[,溫度拉

3、應(yīng)力遍及整個(gè)壩厚.裂縫深度遠(yuǎn)太子一般混凝土壩因內(nèi)外溫差引起的表面裂縫.(2)溫度應(yīng)力主要是由兩岸巖基約束所引起的結(jié)構(gòu)性應(yīng)力,裂縫多發(fā)生在晟關(guān)鍵的拱籍和拱端的高應(yīng)力區(qū).(3)裂縫面太多垂直于水平拱的傳力方向,對(duì)拱向受力結(jié)構(gòu)有較大影響.大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,當(dāng)后期內(nèi)部降溫引起拉應(yīng)力或外部升溫拉應(yīng)力區(qū)轉(zhuǎn)向內(nèi)部時(shí)都將f起表面裂縫向內(nèi)部發(fā)展而貫穿壩體.若不對(duì)裂縫進(jìn)行有效控制,可能對(duì)拱壩的整體穩(wěn)定性造成嚴(yán)重后果,危及到壩體安全.選擇適合碾壓混凝土拱壩結(jié)構(gòu)的構(gòu)造分縫設(shè)計(jì)進(jìn)行裂縫的有效控制,對(duì)碾壓混凝土拱壩設(shè)計(jì)尤其關(guān)鍵.碾壓混凝土

4、拱壩的誘導(dǎo)縫設(shè)計(jì)主要解決二個(gè)問(wèn)題:第一是縫斷面的形式和構(gòu)造問(wèn)題;目的是降低縫面的強(qiáng)度,以確保誘導(dǎo)縫能按預(yù)期要求及時(shí)開(kāi)裂.第二是誘導(dǎo)縫布置問(wèn)題;選擇合理的位置,讓誘導(dǎo)縫能按預(yù)期要求拉開(kāi).橫縫是除誘導(dǎo)縫之外的又一種可行選擇但傳統(tǒng)的橫縫施工方法不利于碾壓混凝土的通倉(cāng)碾壓,所以橫縫的數(shù)目不宜過(guò)多,位置最好限制在中上部.碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫與橫縫的設(shè)計(jì)問(wèn)題與拱壩的仿真計(jì)算密不可分,只有計(jì)算出不同時(shí)期壩體上的荷載效應(yīng),掌握了壩體及誘導(dǎo)縫的開(kāi)裂特性,才能設(shè)計(jì)出合理的分縫方案,保障大壩的安全.本文應(yīng)用三維非線性有限元分析方法對(duì)

5、沙牌碾壓混凝土拱壩進(jìn)行了壘過(guò)程溫度應(yīng)力仿真計(jì)算分析,對(duì)壩體不同結(jié)構(gòu)分縫方案在旃工及運(yùn)行期的損傷開(kāi)裂行為進(jìn)行了分析.1三維非線性有限元徐變應(yīng)力方程的隱式解法仿真分析的一個(gè)核心問(wèn)題就是要研究溫度歷史,應(yīng)力歷史對(duì)大壩蓄水后的應(yīng)力狀況與變形狀況的影響.在餛凝土的應(yīng)力歷史中,餛凝土徐變應(yīng)力極為重要.目前,工程上普遍采用韌應(yīng)變法求解徐變應(yīng)力增量.由于{昆凝土溫度變化,{昆凝土自身體積變形等引起的應(yīng)力增量也可用初應(yīng)變法求解,所以,這三者可以用統(tǒng)一的有限元格式表達(dá).在求解彈性徐變應(yīng)力方法中,以文獻(xiàn)[2]提出的"混凝土結(jié)構(gòu)徐變應(yīng)

6、力分析的躊式解法"最為成熟和實(shí)用.有限元基本方程為收璃日期:2000-07?03

7、恬回日期-2001?Ol?06作者簡(jiǎn)介:黃選海(]964?),男,礎(chǔ)教授,太連理工大學(xué)]996級(jí)博士生l宋玉昔(1944-),男,教授,博士生導(dǎo)師第2期黃達(dá)海等:沙牌碾壓混凝土拱壩損傷開(kāi)裂分析KA6.=△P+△+aPT+Ap:(1)式中:K=fB~口dV,為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣;Ap為外荷載增量;△P==』口_^dV,為徐變產(chǎn)生的當(dāng)量荷載增量;△=』口△V,為溫度荷載增量,由溫度場(chǎng)仿真程序算得;=△dV,為自生體積變形產(chǎn)生的當(dāng)量荷載增量

8、,西=/[,+Qc(f,rD].為本構(gòu)矩陣.考慮材料在受荷后的正交異性損傷特性,有=RTE(D)月(2)式中:R為局部坐標(biāo)與整體坐標(biāo)之間的轉(zhuǎn)換矩陣;.(D)為在主坐標(biāo)系內(nèi)的損傷本構(gòu)矩陣,f(十2G)(1一D)(1一D.)(1一D?)^(1一D】)(1一D3)1E(D)一J^(1一D】)(1一D)(^一2G)(1一D2)^(1一D2)(1一D3)l(3)【^(1～Dt)(1一D)^(1一D2)(1一D3)(^+2G)(1一Ds)』這里為拉梅系數(shù),^一E(t)/(1+)(1—2z);G為剪切模量,G—E(f)/Z(

9、1+),E()為材料的彈性模量,是時(shí)間的函數(shù),為泊松比;D,(=1,2,3,4)為主應(yīng)力方向的損傷度.由碾壓混凝土材料的損傷演化特性,選用Ma~rs損傷演化模型.2算例2.1基本資料沙牌碾壓混凝土拱壩是目前世界上在建中最高的碾壓混凝土拱壩.拱壩形體設(shè)計(jì)采用三心圓單曲拱壩.壩頂高程1867.5m,最大壩高132.0m,頂拱中心線弧長(zhǎng)250.25m.正常蓄水水位為1866.0m,死水位為1