循环损伤后全级配混凝土断裂过程声发射特征

为研究初始循环损伤对全级配混凝土断裂损伤特性的影响,对承受不同初始循环损伤的全级配混凝土梁进行三点弯断裂试验研究,并结合声发射(acoustic emission,AE)技术对预损伤后断裂过程进行监测。结果表明:初始循环荷载增幅越大,混凝土梁在初始循环阶段累积的损伤越大,损伤后再加载的峰值荷载越小,脆性特征更明显;对比分析多个AE损伤指数发现,在加载中后期,全级配混凝土的断裂特性受初始循环损伤的影响逐渐变小,此时试件的受损主要受到内部大骨料分布的影响;对预损伤后加载过程中RA-AF值(RA value-average frequency value)分析可知,剪切裂纹占比随加载进程的推进递增,但拉伸裂纹占比始终占主导地位,且随着初始循环增幅越大,破坏时剪切裂纹占比越大。研究成果对预测分析混凝土大坝断裂破坏具有较好的实际应用价值。

水工结构动接触问题的组合网格算法

针对水工结构工程计算中经常出现的接触问题,和以往解决此类问题算法的局限性,提出了采用组合网格算法。算法采用两套网格求解,在整个求解区域采用较粗网格,不考虑接触的影响,而在接触区域附近采用较细的网格,考虑接触的影响。整体粗网格求解和局部细网格球求解反复迭代,求得最终结果,与常规有限元方法所求得的解相符合,为求解大型实际复杂问题提供了一个思路和方法。

混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究的几个关键问题

位于我国西部强震区的高混凝土坝,如小湾、二滩等,施工期或运行期在坝体表面以及坝体内部出现了一定范围的裂缝。鉴于这些高坝工程的极端重要性,裂缝在地震作用下的扩展性问题为学术界和工程界关注。针对混凝土坝坝体裂缝在地震荷载下扩展研究的关键性问题,包括地震动输入、坝体已有裂缝及其裂缝处理措施的模拟、缝端混凝土破损路径及其破损程度的模拟等研究现状分别进行讨论。最后指出了下一阶段的研究方向。

分缝自重与整体自重对乌东德拱坝动力横缝张开度的影响

针对分缝自重与整体自重对乌东德拱坝在地震作用下横缝张开度的影响,采用接触力模型对其进行对比分析。结果表明,两种自重施加方式造成坝顶横缝张开度分布规律不同,但最大张开度数值相差不大,地震结束后横缝均处于闭合状态;对两种自重施加方式,上下游坝顶横河向压应力分布是影响横缝张开度分布的主要原因。这对乌东德及类似高拱坝工程具有参考价值。

动态弹性模量变化对拱坝动力反应的影响

现行水工抗震设计规范规定,大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高30%,对岩体动态变形模量的取值并无规定,现行工程实践中岩体动态变形模量通常在静态变形模量基础上提高30%。根据国内外最新研究成果修编中的新规范拟规定:大坝混凝土动态弹性模量在静态弹性模量基础上提高50%,岩体动态变形模量取为静态变形模量。本文针对新规范的这一变化,结合不同高度的拱坝,从大坝自振特性、动位移、动应力及静动综合应力诸方面进行比较分析,论证混凝土两种动弹性模量以及基岩两种动变形模量取值的影响。结果表明,坝体动弹模从30%提高到50%以及基岩动变模是否提高30%对坝体动力特性和地震反应影响不大。

2008年汶川地震中沙牌拱坝的震情检验和分析

为对2008年汶川地震中沙牌拱坝的震情进行检验和分析,本文提出了一个基于损伤力学对高混凝土坝地震损伤破坏过程分析的新方法,可计入残余变形但避免损伤—塑性耦合。由于汶川地震中未能取得坝址的地震动输入记录,为此,采用随机有限断层法,通过邻近台站的加速度记录,对汶川地震中断层破裂模型参数进行校准后,重建了汶川地震中沙牌拱坝坝址的地震动输入加速度时程。为上述计算研发了高性能并行计算程序,在"天河一号"超级计算机上进行了高效运算,并对都经受过强震的沙牌拱坝和美国帕柯依玛拱坝的震情进行了对比分析。计算结果表明,所建议的方法能可靠应用于混凝土坝的地震损伤破坏过程的分析。

白鹤滩拱坝极限抗震能力研究

在模拟白鹤滩拱坝横缝、坝基交接面和地基可能滑块的基础上,对坝与地基系统进行有限元网格剖分,计入地震动能量向无限远域地基逸散的地基"辐射阻尼"效应,通过超设计地震作用的超载计算和在设计地震作用下降低地基滑块结构面抗剪强度的降强计算,综合分析坝与地基残余位移、缝面开合情况以及坝基交接面开裂范围及其对灌浆帷幕的影响等,获得白鹤滩拱坝超设计地震的超载安全系数约为2.0,设计地震作用下强度储备安全系数约为2.0,白鹤滩拱坝满足设计和校核地震的抗震稳定要求且具一定的超载能力的结论。

强震区碾压混凝土重力坝非线性地震响应分析

针对传统的线弹性模型不能准确模拟强震区碾压混凝土重力坝的地震响应问题,介绍了考虑坝体材料非线性的损伤模型和考虑接触非线性的缝接触模型,并将这两种模型应用于鲁地拉重力坝非线性地震响应分析中,以坝头部的裂缝贯穿为"破坏"准则,计算裂缝贯穿前坝体所能承受的最大地震作用。结果表明,在该准则下,材料非线性模型和接触非线性模型分别算出最大荷载作用为1.6倍设计地震和1.5倍设计地震,计算结果十分接近,均可用来评价碾压混凝土重力坝的极限抗震能力。

基于ABAQUS的两种库水附加质量模型下重力坝动力分析

库水附加质量反映了坝体与库水间的相互作用。本文以Koyna重力坝为例,基于ABAQUS并辅以部分MATLAB程序计算了两种不可压缩性库水附加质量模型下坝体的自振特性。分析Koyna各计算条件下的自振频率,结果表明:与库水有限元模型相比,Westergaard模型夸大了坝体与库水间的相互作用,应当进行折减,折减系数取0.8较为适宜。考虑折减的Westergaard模型下坝体地震响应计算结果与实际震害更符合,从而验证了折减系数的准确性。

基于坝肩失稳破坏模式的高拱坝地基体系地震易损性分析

为了开展高拱坝-地基体系整体稳定地震易损性分析,从坝肩潜在滑块滑动失稳破坏模式出发,综合考虑了地震动和材料参数的不确定性,采用增量动力分析方法(Incremental Dynamic Analysis,IDA),开展了基于概率统计框架的1000次非线性动力响应分析。分别采用特征点残余滑动位移和滑动面积比作为评价结构响应的性能指标,以地震动峰值加速度(peak ground acceleration,PGA)为地震动强度指标,定量的划分了高拱坝-地基体系的不同性能水平,绘制了地震易损性曲线,并对不同极限状态下的地震易损性进行了评估和分析。结果表明,基于特征点残余滑动位移的IDA曲线可以将高拱坝-地基体系分别划分为局部滑动破坏和整体滑动失稳破坏两个破坏等级;基于滑动面积比的IDA曲线可以划分为轻微滑动破坏、中等滑动破坏和整体滑动失稳破坏三个破坏等级;从而根据高拱坝-地基体系的实际地震需求从概率意义上评判结构所处的破坏状态,为高拱坝的抗震优化设计、加固和维修决策提供科学依据。

溪洛渡大坝混凝土芯样动态轴拉试验研究

利用MTS大型静、动材料试验机对溪洛渡大坝混凝土芯样开展了动态轴向拉伸试验研究,试验共计32个φ220 mm×440 mm圆柱体试件。试验分别开展了不同应变速率(1×10^(-6)/s、1×10^(-4)/s、5×10^(-4)/s、1×10^(-3)/s)下静、动态单调加载和预加不同初始静载(0%、30%、60%)的单调动态加载(5×10-4/s)。大坝混凝土芯样试验成果,揭示了当前溪洛渡大坝混凝土的静态抗拉力学特征及在动态荷载作用下抗拉强度、峰值应变和吸能能力等随应变速率的变化规律,以及初始持续静态荷载对动态抗拉性能的影响。通过试验数据拟合及统计分析,建立了溪洛渡大坝混凝土的抗拉应力应变曲线解析表达式。试验成果将为溪洛渡大坝抗震深化研究提供科学依据。

响水海上风电钢管桩基础水平承载特性对比研究

结合江苏响水海上风电场2 m桩径钢管桩水平试验工程,以ANSYS有限元软件为平台建立海上风力机钢管桩的单桩基础模型,根据设计提供土层参数,采用API规范建议的p-y曲线法、港口工程桩基规范的m法和m折减法进行水平承载力计算,与实测的桩顶荷载-位移曲线、桩身变形和弯矩曲线进行对比分析,结果表明,API(American Petroleum Institute)规范建议的p-y曲线计算结果偏于安全,m法和m折减法偏于不安全,总体上m折减法与实测值更接近。上述几种分析方法的对比研究尚需更多的试验数据和计算分析工作。

不同横缝初始间隙的拱形重力坝-地基体系地震响应分析研究

本文构建了某拱形重力坝三维全坝段-地基体系有限元分析模型,综合考虑了坝体横缝和坝基交界面接触非线性,采用基于拉格朗日乘子法的动接触力模型模拟接触非线性问题,采用黏弹性人工边界考虑无限地基辐射阻尼效应,分别开展横缝初始间隙0、2和20 mm下的重力坝-地基体系非线性有限元动力时程分析,揭示不同横缝初始间隙对大坝动力响应的影响,为工程抗震设计提供科学依据.

动态循环荷载下大坝混凝土拉压转换损伤本构模型构建及影响研究

目前混凝土坝抗震安全评价中,对于动态循环荷载下大坝混凝土损伤本构模型中从受拉状态向受压状态转变过程(拉压转换)中的混凝土弹性模量变化,一般都基于商用软件ABAQUS的“单边效应”假设,认为混凝土弹性模量立即恢复为初始弹性模量。上述假设的合理性缺乏试验验证,直接影响混凝土坝抗震安全评价的可靠性。通过对全级配大坝混凝土拉压转换全过程试验成果的观察分析,发现混凝土从受拉状态进入受压状态后弹性模量并非立即恢复为初始弹性模量,而是由损伤后弹性模量连续渐进恢复至初始弹性模量,期间原有的受拉残余应变在压应力作用下迅速减小到较小数值,因此ABAQUS的“单边效应”假设并不符合实际情况。本文以全级配大坝混凝土拉压转换全过程试验成果为基础,提出受拉损伤发生后,拉压转换时受压应力应变关系采用双折线模型的思路,据此推导了相应的应力-应变关系解析表达式,构建了更接近混凝土拉压转换时真实状况的本构关系数值模型。通过实际工程的计算分析,发现常用的受压弹性模量立即恢复为初始弹性模量的损伤本构模型过高估计了坝体刚度,可能带来偏于不安全的评价结果。

高拱坝抗震安全研究

我国是多地震国家,高坝大库多建于西部强震区,其中坝高超过200 m的大坝多为混凝土拱坝,其抗震安全至关重要。结合2018年11月颁布实施的《水工建筑物抗震设计标准》(GB 51247-2018)的编制工作,在高拱坝抗震方面取得的主要研究成果,包括大坝抗震设防水准框架、大坝地震动参数的合理确定、大坝地震动输入机制、大坝-地基系统整体抗震稳定分析和大坝坝体强震损伤破坏机理分析,据此提出了最大可信地震下高拱坝抗震安全定量评价指标。

高坝抗震高性能并行计算研究及其应用

高坝是复杂的空间结构,其地震响应分析需要同时计入坝体-地基-库水的动态相互作用、坝体伸缩横缝开合的边界非线性、远域坝基的振动能量逸散、近域地基的复杂地形和地质构造、坝体和地基岩体材料的非线性、沿坝基地震动的不均匀性,以及在拱座和地基动力耦合作用下,坝肩潜在滑动岩块的动态稳定性等复杂问题。整个体系的有限元数值计算需要求解几十万、甚至几百万个自由度的方程组。具有120万自由度的沙牌拱坝抗震分析应用单机串行程序计算,需要39d才能完成。在时域内求解如此大规模的非线性动力学问题,计算速度已成为高拱坝地震动分析和抗震安全评价的瓶颈。高性能并行计算已经成为解决大规模科学计算的主要手段。本文作者所在研究团队长期从事高坝地震动响应研究,本文将主要介绍研究团队多年来自主开发的高坝地震动响应并行计算软件(PSDAP)有关理论方法,及其在2010年排名世界上最快运行速度的超级计算机"天河一号"上运行的若干工程实践。

高温处理后巴丹托鲁水电站凝灰岩的三轴压缩力学特性与损伤演化规律

以印度尼西亚巴丹托鲁水电站为工程背景,对坝址处凝灰岩分别开展100,200和300℃高温下的三轴压缩试验研究。针对其应力-应变曲线、体积应变特性、破坏及失稳形式展开分析,结合脆性指数分析凝灰岩的脆-延性转化特征,基于Pearson相关系数探讨温度、围压与不同特征参数的相关性。结合应力-应变曲线分析凝灰岩的弹性应变能及耗散能的演变过程,并基于累积耗散能定义损伤变量。研究结果表明:高温及高围压能够提升凝灰岩的延性。凝灰岩破裂面数量随温度升高而增多,不同围压下岩样由脆性张拉破坏向剪切破坏转变,失稳形式由突发型失稳向渐进型失稳过渡。凝灰岩的峰值应力、弹性模量、泊松比、膨胀角、内摩擦角及黏聚力等参数均随温度及围压的变化呈现出一定的变化规律。凝灰岩的能量演化曲线能够较好地反映不同阶段的裂缝发育情况,损伤因子演化曲线具有三阶段特性,与试样突发型失稳的破坏特征一致。

高拱坝-地基体系整体稳定概率地震风险分析

为了进行高拱坝的地震风险分析,引入幂指数函数的形式来描述地震危险性曲线,结合概率地震需求模型和地震易损性曲线函数,推求了概率地震风险分析解析函数。基于此,以实际工程为例,开展了高拱坝-地基体系整体稳定概率地震风险分析。在概率统计框架下,以高拱坝-地基系统整体抗震稳定安全评价为研究目标,在考虑坝基岩体内控制性滑动块体滑裂面力学参数不确定性基础上,构建了概率地震风险分析模型,得到了基于残余滑动位移的高拱坝-地基体系年超越概率曲线。从而给出了设计基准期限内,高拱坝-地基体系整体地震稳定达到不同性能水平的概率,为其在极限地震下的抗震安全评价提供依据,同时为现有基于准则的混凝土坝抗震安全决策转向基于风险概率的安全决策提供科学依据。

两种非线性模型下重力坝强震破坏机理研究

以某重力坝为例,在已有研究的基础上,分别采用塑性损伤模型和动接触力模型,对混凝土重力坝进行非线性动力分析,研究讨论了坝体头部强震破坏进程、破坏机理以及在贯通前后上下游节点对位移差变化情况,并基于两种模型的本构关系,对比分析了两种模型下重力坝强震损伤破坏演化过程的差异及其对重力坝极限抗震能力的影响。研究结果表明,采用塑性损伤模型计算的混凝土坝坝体头部折坡处的开裂要早于接触模型,但是开裂进程比接触模型慢;若以坝体头部开裂贯通为依据,损伤模型和接触模型的极限抗震能力相差不大,接触模型略低;对头部存在明确层面、不需要考虑网格细化问题等的碾压混凝土坝可采用接触模型,对于不存在明确层面的情况,建议采用损伤模型。

基于点面接触的三维结构地震接触模拟

工程结构包括拱坝、岩质边坡等在强地震作用下可能沿结构面、节理面等产生滑移,对接触面的模拟关乎结构抗震安全评价的可靠性。本文针对结构在地震作用下接触面产生较大滑移的情况,提出采用点面接触模型和动接触力模型进行模拟。推导了适于点面接触的动接触力模型公式;采用主从接触算法,通过全局搜索缩小搜索范围,在局部搜索层次基于内外算法确定接触点对,避免经典点面算法中存在的盲区问题,提高搜索判断的精度和效率。采用经典楔形体稳定问题对本文模型进行了验证,通过施加地震激励研究其动力稳定性,并将点面接触和点点接触的计算结果进行比较,发现前者获得的结构响应大于后者,且其差异随着地震加速度幅值的增大而增大。进一步将该模型应用于拱坝的地震响应分析,结果表明对于相对较小的地震,两种接触模型计算结果基本一致;但对于超强地震,横缝发生较大相对位移,点点接触模型的计算结果偏小,对应力值的低估更为明显。总的来说,对于结构在强地震作用下产生较大滑移的情况,采用点面接触模型可更好地反映实际情况。