碾压混凝土重力坝的广义损伤可靠度及敏感性.pdf

第 3 3卷第 1 期 2 0 1 1年 2月 土 木 J o u r n a l o f Ci v i l Ar c h i t 建 筑 与 环 境 工 程 e c t u r a l En v i r o n me n t a l En g i n e e r i n g Vo 1 3 3 No 1 Fe b 2 0 1 1 碾压混凝 土重 力坝 的广义损伤可靠 度及敏感性 王亚 军 ， 张我华。 ， 张楚汉 ， 金 峰 (1 清华大学 水 沙科学与水利水电工程 国家重点实验 室，北京 1 0 0 0 8 4 ；2 浙江海洋学院 船舶与 建 筑工程 学院 ，浙江 舟 山 3 1 6 0 0 0 ；3 浙江大学 软 弱土与环境 土工教 育部重点 实验室，杭州 3 1 0 0 2 7 ) 摘 要 ： 为深化 模 糊 随机 损伤 力 学研 究， 基 于 自适应 模糊 随机损 伤 力 学模 型 ， 对材料 裂 纹 尖端 广 义 损伤应力场进行分析 ， 证 实了数值模型的可靠性。以碾压混凝土重力坝为例， 并考虑材料参数空间 变异 ， 就模糊 随机损 伤增 益 下的宏 观 场分 布做 敏 感性研 究 ， 结果 表 明 ， 碾 压 混 凝 土抗 压 强度 极 限值 是 影 响大坝安 全 的主控 指标 。采 用 不 同模 糊分 布 对 自适 应损 伤 力 学模 型做 激励 分析 ， 揭 示 了各 分 布对 混凝土及 岩石 类材 料广 义损 伤场 演化 的控 制 特征 。 关 键词 ： 碾压 混凝 土重 力坝 ；模糊 激励 ；模 糊 随机损 伤模 型 ；敏 感性 中图分 类号 ： T V2 2 3 4 2 ； T V4 3 2 2 ； TU4 5 7文献标 志码 ： A 文章编 号 ： 1 6 7 4 4 7 6 4 ( 2 0 1 1 ) 0 1 0 0 7 7 1 0 Ge ne r a l i z e d Da m a g e Re l i a b i l i t y a nd S e n s i t i v i t y An a l y s i s o n Ro l l e d - Co n c r e t e Gr a v i t y Da m WA NG Y a - j u n ，Z H AN G Wo h u a。 ，Z H A NG Ch u h a n ，J I N F e n g。 ( 1 S t a t e Ke y La b o r a t o r y o f Hy d r o s c i e n c e a n d Hy d r a u l i c En g i n e e r i n g ，Ts i n g h u a Un i v e r s i t y ，Be ij i n g 1 0 0 0 8 4 ，P RCh i n a ； 2 S c h o o l o f Na v a l Ar c h i t e c t u r e a n d Ci v i l En g i n e e r i n g，Zh e j i a n g Oc e a n Un i v e r s i t y ，Zh o u s h a n 3 1 6 0 0 0，Z h e j i a n g， PRCh i n a ； 3 Ke y La b o r a t o r y o f S o f t S o i l s a n d Ge o e n v i r o n me n t a l E n g i n e e r i n g ，Mi n i s t r y o f Ed u c a t i o n，Zh e j i a n g Uni ve r s i t y，H a n gz hou 31 0 027，PRChi na ) Ab s t r a c t ：Ba s e d on f uz z y s e l f a d a p t i ng s t o c h a s t i c d a ma g e mod e l ，t he c ha r a c t e r i s t i c s o f g e n e r a l i z e d d a ma g e s t r e s s f i e l d o n ma t e r i a l c r a c k t i p a r e s t ud i e d Th e r e s ul t s e xp r e s s t h a t t he nume r i c a l a l go r i t h m i s r e l i a bl e Se n s i t i v i t y o f r ol l e d c o nc r e t e g r a vi t y da m u nd e r f u z z y s t o c ha s t i c d a ma ge ga i ni n g i s i m p l e me nt e d by c on s i de r i ng t h e s pa t i a l va r i a t i on of m a t e r i a l p a r a me t e r s I t i s f ou nd t ha t t he c o m p r e s s i on s t r e ng t h o f r o l l e d c on c r e t e i s t he go ve r ni n g i n de x o n gr a vi t y d a m r e l i a b i l i t y The a c t i v a t i o n s i m u l a t i on s o n f u z z y s e l f - a d a p t i n g s t o c h a s t i c d a ma g e mod e l we r e c a r r i e d by a do p t i ng di f f e r e nt f u z z y di s t r i b ut i on s， whi c h i n di c a t e d t he g ov e r n i n g c h a r a c t e r i s t i c s o f t he d i s t r i b ut i o n on g e n e r a l i z e d d a ma g e e v ol u t i o n o f r oc k l i ke ma t e r i a 1 Ke y wo r d s：r o l l e d c on c r e t e gr a v i t y da m ；f uz z y a c t i v a t i on s i m u l a t i on；f u z z y s e l f - a d a p t i n g s t o c ha s t i c d a ma g e mo de l ：s e ns i t i v i t y 基于 材料 损 伤 的 不确 定 性 ( Un c e r t a i n t y ) ， 随机 损伤 力学 ( S t o c h a s t i c D a ma g e Me c h a n i c s ) 观念 丰 富 了工程力学的研究领域 ， 这样 ， 经典损伤力学中质点 的损伤 不动 场被 拓 展 到 随机 空 间 内 ， 并 以具 有 明确 物理背 景 的概率 分 布形 式 定 义 下来 ， 使 更 为 复杂 的工程课题得以深入研究 。Ya n g等人发展了非均 收 稿 日期 ： 2 0 1 0 0 9 1 5 基 金项 目： 国家 自然科 学基金 资助项 目( 5 0 3 7 9 0 4 6 ) ； 教育部博士点基金资助项 目( A 5 0 2 2 1 ) 作者简介 ： 王亚军( 1 9 7 6 一 ) ， 男 ， 博 士( 后) ， 主要从 事岩土工程力学研究 ， ( E ma i l ) a e g i s 6 8 0 0 4 y a h o o c o m c n 。 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 7 8 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3卷 质 内聚力 断裂模型 ， 借 助细观 裂缝 随机场 ， 对裂 隙扩 展路径 、 峰值 荷载 、 材 料整体可 靠性 等关键 力学 参数 进行模拟 ， 进 而完 成 了对 材 料宏 观 强度 特 性 的分 析 研究 ； Y a n g等 人 还基 于 We i b u l l 随机 场 ， 采 用 拉 伸及剪切软化 本构模 型下 的预插 入 内聚力 单元模 拟 潜 在裂 隙 ， 分 析 了混凝 土 之类 准 脆 性材 料 的损 伤 可 靠 性 3 ； S e w e r y n等 人 提 出 了非 比例 加 载条 件 下 的 疲劳 损伤发展 方程 ， 对 复合屈服 面下 ， 材料循 环加 载 诱发 的损伤 累积发育进 行分 析计算 I ； T o v o基 于多 模态 分布假设并 借 助损 伤 当 量准 则 ， 建立 了 1个 当 量 We b u 1 l 损伤 分 布 模 型 ； E me r y等 人 提 出 了多 层次 、 多尺度损伤及 耐久性评 价策 略 ， 方 法 的核心是 借助 Mo n t e C a r l o模拟及统计 分析 ， 生成材料的随 机微观缺 陷分 布模 型 ， 从而 实现 对 结 构全 域 内工作 寿命标 量 场 的 计 算 ， 但 此 计 算 的 实 质 仍 是 确 定 性 的_ 6 ； P o p e s c u等 人 就 软 土材 料 提 出 了 内空 间变 异 性及 强度 随机变 量混 合 求解 的 观念 ， 并 用 总 体破 裂 曲线 来刻画 非均质软 土材料 的非确定 损伤破 坏 及承 载特性 L 7 ； V o e e h o v s k $ 将 材 料 的强 度 尺度 效 应 归 结 为 3个诱 因 ： 确定 性能 量 准则 、 随机 尺 度效 应 、 优 势 薄弱层 效应 ， 并 结合 非 线性 断 裂 力学 与 材料 随机 场 模拟技 术 ， 对混 凝 土之 类 的准 脆性 材 料 强度 自相 关 随机场 下形成 的断裂损 伤进 行研 究 8 ； Ko wa l s k y等 人考 虑了金属 材料 参 数 的空 间 随机 波 动 ， 在 粘 塑 性 非线性 与连续损伤 模型耦 合 的基 础上 ， 采 用 K L扩 张理论 ， 对 引人相关 方程 的随机场进 行 离散 ， 实现 了 随机有 限元 框架下 的损 伤材 料 可靠 度分 析 ； l h a r a 等人定义 了材料 的位 错 密度 及 位错 弹性 能 ， 采用 随 机 损伤 累积 模 型 ， 对 I 类疲 劳 裂 纹 的萌 生及 扩 展进 行 研究_ 1 。 。 ； L i 等人 基 于冻 土 随 机微 观 缺 陷 ， 建立 了 随机损伤本 构模 型 ， 对温 变 条件 下 的高 温 冻 土及 富 冰 高温冻 土 损 伤力 学 特 征 进行 研 究 l 1 。但 损 伤 度 量外延 并不 明确 ， 此 特 征之 本 质 ( Na t u r e ) 不 同 于概 率分 布 ， 其 刻 画 损 伤 场 发 育 、 演 化 程 度 的模 糊 性 ( F u z z y ) 。然而 ， 当前损伤 力学 的不 确定 性分 析理 论 仅 限于单一数 学模 型 。笔 者 基 于前 期研 究 ， 进 一 步 就碾压混 凝土重力 坝 的广 义损伤场 在 自适应 模糊 激 励下 的敏感性做 深入分析 。 l 模糊随机损伤本构模型下 自适应数 值算法及程序验证 自适应 模糊 处 理后 ， 结 构广 义 损 伤场 由模 糊随 机 损伤泛 函 力定义 1 。因为双层数 学覆盖 下 的损伤 场服从 分布 ， 为 实现 结 构 模糊 随机 损 伤 可靠 度分 析 ， 必须要对 系统进 行 当量 正态化 的变换 ， 从 而可借 助不 同破坏 准则做广 义损伤 可靠度 分析 。该 文采用 四参数 破坏 准则 1 2 1 3 ， 损 伤功能 函数梯度 由文献 1 所确定 。 材 料 损 伤 扩 散 时 ， 因矢 量 重 分 布 、 细观 颗 粒 填 塞 、 微观 粒子滑 移 强化 ， 破 坏 区局部 会 出现 弥合 ； 此 外 ， 对 于长期加 载 ， 破 坏时 临界损伤 分布具 有较 宽 的 分散带 、 而并非 是 一 个确 定 数 值 。 自适 应 数 值方 法 通 过广 义损伤泛 函对本 构方程 中的 弹性矩 阵做模 糊 识 别 ， 并借 助模 糊 格运 算 ， 对 矢 量场 进 行 协调 ， 拓 展 了损伤分 析域 ， 避 免 了常规 的刚 性损 伤 计 算模 型 过 分 依赖“ 唯像” 的不足 。 以 图 l悬臂 结构 为 研 究 验证 对 象 ， 分 别采 用 弹 性 力学方 法 ( 解 析 法 ) 、 MS C Ma r e 软 件 及该 文 程 序 ( 简称 程序 ) 分析验证 。 ) 一 E=2I 1 0 6 k Pa ， g =0 2 53 , =2 4 5 kN m 图 1 结 构 计 算模 型 此 结 构 半 回 厦 ，艾卜厦 刀 分 重 明 5 早住 力 芋 ) 骅 力 、 、 ” 。其 中 ， 、 为笛 卡儿 坐标系统 。 令 E、 y 分别为材料弹性模量 、 泊松 比、 容重 ， 考 虑材料有变 异 ， 则三 者的方 差分别 为 、 2 、 ， 从而应 力分量方差 的解析解 、 可计算如式 ( 1 ) 。 ( ) 一 ( 雾 20 2 2 一 ( e ft ； 其 中 ， 应力分 量关 于 随机 参 数 的梯 度 计算 在 参 数 均 值M处获得。 应变分量 、 、 的方差解析解 乏、 2 、口 ； 计算如式( 2 ) 。 一 ( 一 ) 【M ) 。 + ( 一 ) + M + ( 一 一l - x ) 2 一 ( 一 ) 。M 2 0 + ( 一 ) + M + 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 0 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3卷 由程序与 Ma r c 软件 计 算 的结 构位 移 场期 望 对 照可 见 ， 从 压 剪 区到 拉 剪 区 ， z向 位 移期 望逐 渐 接 近 ， 反 映 了 S a i n t Ve n a n t 边 界对 结 构 水平 向位 移 的 影 响( 图 8 ) 。 _- 4 一本文程序解 Ma r c数值解 图 8 z一 方 向位 移 期 望对 照 -一 向 蛳 A 一本文程序解 曰 一M a ”数值解 图 9 Y一 方 向位 移 期 望 对 照 Y向位移期 望 从 拉剪 区到 压 剪 区逐 渐 接 近 ( 图 9 ) ， 最后 在约束边 界处收敛 ， 完全符 合受 体荷 载作用 的结构位移 特征 。 3E一0l 收 2 E-01 结 构横 向 计算 坐标 m A 一本文程序解 一解析解c M a 数值解 图 1 0 方 差 对照 3 一0l 斟 一 2 E 01 结构横 向计算坐标， m A 一本文程序解 一解析解 c M a r c 数值解 图 1 1 E 方 差对 照 结 构横向 算 世标 m A 一 本文程序解 卜 解析解c -Ml r c 数f 矗 解 图 l 2 方 差 对 照 2种数值方法所得的拉剪区应变方差与解析结 果都很接 近 与 e 在拉剪 区 的离 散分 布都 比较 缓 ( 图 l 0 、 1 1 ) ， 而在此 区域 的离 散 梯度 则 较 大 ( 图 1 2 ) 。 受边界条件影响， 弹性力学方差解在复合 区与 压剪 区域 的变化 剧 烈 。 常 量应 变 条件 下 的 程序 解 与 解 析方差 有 比较 明 显 的收敛 趋 势 ， 而 假 定应 变 条 件 下 只有 e 的计算结 果可 以较好 的拟合解 析解 。 进一步考虑材料局部损伤劣变， 借助程序 中广 义损 伤分 析模块对 结构裂 纹尖端模 糊 随机损 伤应力 场进 行分 析 。但工 程结构 实际加载 过程 中应力 状 态 非 常复杂 ， 该 文采 用 拉一 压一 剪 切 组合 的 形式 模 拟 裂 纹 尖端应力 场 。经 坐标转换 可得极 坐标 下组 合应力 区裂 纹尖端应 力 场如 式 ( 3 ) E 8 j 。其 中， K 、 K 分别 为 张开及滑 开 型裂 纹 尖 端 应力 强度 因子 ，r 、 0为尖 端计算 点处 的极 坐标 。 COS 一 9 Sl n 。 0 r 一 三 K【 ( 3一C O S ) + = 兰 = K【 I ( 3 c o s 01 )， GO To= K 1 ( 1+ C O S Kl s i n 0+ K ) 一 ( 3 c KI l s i n o l ， S 0 1 ) ( 3 ) 0 5 5 O 0 0 0 一 一 E E 2 4 一 一 u v剥暴湛 0 5 5 O O O O 一 一 E E 2 4 一 一 剽番簿篷 臼 一 一 c 一 2 c 一 2 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 2 土 木 建 筑 与 环 境工 程 第 3 3卷 对照 损 伤前 位 移 场 ， 程 序 与 Ma r c计 算 结 果 主 要 差异在坝 基边 界 处 ， 前 者 比后 者 的计 算结 果 低 3 4倍 ( 图 1 8 ) ， 建 议对部 分岩基 ， 应 考虑 局部 损伤 劣 化 ( 另文讨论 ) ， 其他 区域 如 坝 顶 、 坝 踵处 ， 2种计 算 方法 的结果都很 接近 。 1 5 O 1 0 0 5 O 0 5 0 1 0 0 - 1 5 0 _ ! _ - 0 0 0 4 罂 I M )0 13 6 I -0 01 8 6i _ ： i ) 0黧 29 7 _ 圳- 0 0 3 5 8 。 一1 5 0 一 l 0 o - 5 0 0 5 O 1 0 o l 5O 2 0 0 2 5 0 3 0 0 x n l f 1 ) 程序计算结果 ( 2 ) Ma r e 计 算结果 图 1 8损 伤 前 方 向位 移 等值 线 ( 单位 ： m) 2 1 广 义损伤位 移场敏感 性 保守 地取各参 数 变异 扰 动量 为 +0 O 1 ， 重点 考 察 大坝对 弹性模量 E、 混凝 土 抗压 强 度极 限值 R 的 敏感性 。 弹性模量 ( E ) 的随机 扰 动对 广义 损伤 位 移场 的 期 望影响 不 很 明显 。位 移 期 望 最 大扰 动 值 在 1 0 以下( 图 1 9 ) ， 位移 场变 异分 布对 于 弹性模 量 的随 机 扰 动相 对 明显 ， 最 大扰 动 值发 生在 下 游 坝趾 及 坝 顶 处 ( 图 2 0 ) ， 量级 达 到 1 0 ， 运 行 中应 注 意该 处 材 料 的局部 裂变 ， 尤 其 是坝 趾处 可 能会 在 高水 头 作 用 下 产生恶 化 。 一0 0 9 6 - 0 08 -0 O 64 0 0 4 8 -0 03 2 - 0 01 6 方向位移期望 m 图 1 9 z方 向广 义 损伤 位 移 期 望对 照 ( 1) 方I 句 位移变异 标准 参数 l 游 坝面切片1 标准毒教 l 游坝【 自 j 切片1 标准各数 l 游坝面切片2 标准 彗 数 游 坝 面切 片2 标准参数 I 游 切片3 标准参数 I 。 游坝 切片3 变肄士 曾J 0 I 游 丽切片1 E 崔 增加 00 I l 游 碰 啪片 1 E 娈件j 加0 0 I l 游呵蛐片2 E 变蚌增) J i l O o i I | 游面埘片2 E 变抖增 J I I O O l I 游脚切片3 E 尘抖增 1 1 0 O I l 游I 直 I 切片3 图 2 0 方 向广 义损 伤 位 移变 异 对 照 I 1 J 大坝 广义损伤 位移场 对材料 的抗压 强度极 限值 ( R) 的扰 动极 为 敏感 ， 坝 顶 位 移 期 望最 大 扰 动量 级 达 到 1 0 ( 图 2 1 ) ， 证 明重力坝 碾压 质量对 安全 起控 制 作用 。位 移 场 变异 分 布对 于 R 的 随 机扰 动 也 很 敏 感 ， 重力 工 况 下 变 异 最 大 处 位 于 上 游 坝 踵 ， 接 近 1 2 ， 而 且 坝趾 处 位 移 场 变 异最 高 涨 幅 达 到 8倍 ( 图 2 2) 方 向位移期望 ， m 图 2 1 z方向广义损伤位移期望对照( 2 ) 监 尽 方 向位移 期望 ， m 怀准叁赦 游坝面切片I 怀 准喜 数 J ： 游 坝 切 片 I 一杯准磬散上游坝l向切片2 标准参数 I 游坝面切片2 一标准参数 l 蝣枷向切片3 标准 壑数 游j 蚍耐切片3 Hn 变 肄增 j f 00 1 I 游 面 切 片1 一H 尘异增加0 0 1 I 游l血切片1 一I 尘 肄增 I J l l fl【 I 1 I 游 血 切H 2 一I I 变异增加00 l j 游l曲切片2 n 堂异增加0O I I 游面研片3 l 坐译增Noo t l 游卣 片3 图 2 2 方向广义损伤 位移变异对照( 2 ) 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王 亚军 ， 等 ： 碾 压混凝 土 重力坝 的广 义损伤 可 靠度 及敏 感性 8 3 2 2模糊激 励 下的广 义损伤 场敏 感性 模 糊激励 之 目的是 透视 材料 的劣 化 响应及 损 伤 演 化 ， 而材料 损 伤 的模 糊 本 质 ( F u z z y n a t u r e ) ， 恰 需 要 借助 广义损 伤 泛 函对 结 构 的激励 来 揭 示 ， 故 采 用 不 同模 型 ， 对材 料 随机 分 布 的广 义 损 伤 进 行 外 部激 励 ， 以反 映材料 损伤 演化 的不确 定 内核 。 由各模 型 的理论 曲线 与对相 应 的数 值 分析 结果 进行 验证 可见 ， 组 合 秋 千模 型 的数 值 分 析 结果 与理 论 曲线总 体最 为接近 ( 图 2 3 ) ， 其 他 两个 模 型 的数值 分析 结果 和模 型 。 山 一 降 半模 型数值分析曲线( 损伤变量期望值) 一一 降半模 型理论曲线 一一 秋天模 型数 值分析曲线( 损伤变蟹期望值) 一一 秋 千模 型理论曲线 i 组 合秋千模 型数值 分析曲线( 损伤变量期望值) 组合秋千模 型理论曲线 图 2 3广 义 损伤 数值 分析 与理 论模 型验 证 理论 曲线 虽然 也 比较 相 近 ， 但 这 种 相 近 只是 在 损伤 发育 的某 一 阶段 、 如秋 千 模 型 在 体 应 变 较 为发 育 时两者 才贴 近 。 考虑 不 同广 义 模 型 激 励 下 、 广 义 损 伤 场 的敏 感 性反馈， 由图 2 4可见 ： 当量处理后， 降半模型下损伤 场 的变异最 大 ， 而 在 组合 “ 秋 千” 模 型 下损 伤 场 的变 异最 小 ， 秋 千模 型 分 析结 果 所 得 损 伤 变 异数 量 级 位 于前 述两者 之 问 。 、 、 、 、 、 、 ， ， ” “ l h l h _ I ， 。 、 。 。 1 4 4 1 6 8 1 9 2 2 l 6 2 4 2 6 4 2 8 8 一 降半模型数值分析曲线( 损伤变量均方差) 一一 秋千模型数值分析曲线( 损伤变量均方差) 组合秋千模型数值分析曲线(损伤变量军方差) 图 2 4 模 糊 激 励 下 广 义 损 伤 变 量 均 方 差 数 值 分 析 对 照 组 合秋千 模 型 下 ， 重力 坝 的损 伤 发 育 以坝 轴 线 位 置为 核心 ， 向坝 踵 、 坝趾 及 坝基 深 处扩 散 ( 图 2 5 ) ， 损 伤变异 也 集 中在 这 些 区 域 ( 图 2 6 ) 。 由于 坝 体 弯 折处 局部 损伤 水 平较 高 ， 必 引 起 裂 化 区域 向其 他 刚 性 区域延 伸 ， 从 而 在 完整 材 料 之 间形 成 带 状 损 伤 贯 通 区域 ， 造 成 能 量耗 散 程 度 较低 的 刚性 材 料在 已劣 化 的材料 中逐步滑移 。同时 ， 坝底 以下基岩 还是损 伤 辐射 的主要 区域 ， 此 处诱发 的损伤 变异最大可达 1 7 。 1 5 0 1 13 0 50 0 50 1 00 1 0 0 5 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 x m 图 2 5 当 量 后 组 合 秋 千模 型损 伤 变 量 期 望 切 片 云 图 1 50 l 00 50 宣 0 50 一l o0 1 o0- 50 0 50 l o 0 l 5 O 2 0 o 2 50 x hn 图 2 6 当 量 后 组 合 秋 千模 型 损伤 变 量 均 方 差 切 片 云 图 1 5 0 l 0 o 5 0 E O 一5 0 1 00 l ( ) 0-5 0 0 5 O l 0 0 1 5 0 20 0 25 0 x m 图 2 7 当量后 降半模型 损伤变量期望切片云图 降半模 型强调 材 料 的形 变 是损 伤发 育 的主 因 ， 结 构损伤 破坏 时体变 只起 到追加 的作 用 ， 从 图 2 7看 出 ： 由于重 力工 况下 坝踵处 几乎 全部 处 于压剪 区域 ， 而 坝趾 附近 以上 区域 是 典 型 的拉 剪 区 ， 故 这 些 地 方 会诱 发较 高量级 的材 料劣化 【 2 。 ， 损伤 期 望值 较 高 ， 局部 达到 0 5以上 。基岩 中损伤 辐射 会 引发远 处 区 5 4 2 O 0 O 0 O 0 O 0 0 0 0 0 _ 5 5 5 5 5 4 4 3 3 2 2 l 1 O 0 _ 7 6 5 4 3 2 l 7 4 O O 0 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 8 4 土 木 建 筑 与 环 境 工 程 第3 3 卷 域 出现变 异较大 ( 1 5 3 ) 的体 变损 伤 ( 图 2 8 ) ， 但 损 伤变异水 平受基岩 力学特性 控制 ， 应慎 重处理 。 1 5 0 1 0 0 5 O 三 0 5 O 一 1 00 - 1 O 0- 50 0 5 0 1 O 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 xl m 图 2 8 当量后 降半模型损伤变量均方差切片云图 需要 明 确 的是 ： 秋 千 模 型 “ 最 刚 ” 。 由 图 2 9可 见 ， 在坝体 与坝 基 连 接 处局 部 损 伤 达 到 0 7 5 ， 而 在 其它模型下 材料损 伤 极值 一般 只到 O 5左 右 ， 且 此 处 的损伤变异 水平仅 比降半模 型下结果 低 0 2左 右 ( 图 3 0 ) 。考 虑到 实 际 的混 凝 土 材 料抵 抗 拉 应 力 能 力 有限 ， 故本文 建议 ， 采用 四参 数 准 则 时 ， 应 避 免使 用秋 千模 型 之 类 过 于 “ 刚 ” 的模 糊 泛 函 模 拟 损 伤演 化 ， 除非分析对 象是 诸 如 已探 明 的完 整母 岩 之 类 的 可靠材料 。 一l 0 o 一 5 0 0 5 0 1 O 0 l 5 () 2 O 0 2 5 0 x m 图 2 9 当量 后 秋 千模 型 损 伤 变 量期 望 切 片 云 图 一1 o o -5 0 0 5 0 l O 0 1 5 0 2 ( M 】2 5 0 X l l l 图 3 0 量 后 秋 千 模 型损 伤 变 量 均 方差 切 片 云 图 2 3 模 糊激励 下的广义 损伤 可靠度 广 义可靠度 在秋 千模 型下 ， 水 平 较低 的区域 都 是贯通 于刚性材 料 之 间的 狭长 劣化 带 ， 这 里 可靠 度 只有 0 2左 右 ( 图 3 1 ) ， 这 会 导致 ： 虽然 损 伤 劣 化 区 较小 ， 但 如果完 成对结构 不利地分 割 ， 同样会 产生材 料 的极 限滑移 ， 形 成安全 隐患 。 1 5 0 l o 0 5 ( ) 0 -5 0 一 】 o0 l O0 5 0 0 5 0 1 O 0 l 5 0 2 00 2 5 0 x m 图 3 1 秋千模型下广义损伤可靠度切片云图 在 坝基连接 处 ， 降半模 型下 的广义 可靠度 在 1 8 左右 ， 但 在上 、 下游 坝面处都 形成分 布较 广 的损 伤滑 移区域 ， 可靠指 标最 低 只有 0 3 5 ( 图 3 2 ) ， 主 要原 因 是 场 内局部 损伤 变异较大 。 o o 一5 0 0 5 0 I O 0 l 5 0 20 0 2 5 0 x r n 图 3 2 降半 模 型 下 广 义损 伤 可 靠 度切 片云 图 考虑参 数 ( R、 E) 的 随机 扰 动 ， 考察 组 合秋 千 模 型 下的大坝 可靠 度 ， 标 准随 机参 数 的计 算 结 果证 明 坝体 与坝基 连接 段 的可 靠 指标 大 于 1 5 ， 结 构 总 体 安 全状 况 良好 ， 较 为不 利 的损 伤 切 割发 生 在上 游 坝 面弯 折 处 ， 局 部 形 成 可靠 指 标 低 于 1的 劣化 带 ( 图 3 3 ) 。 当 弹性 模 量 变 异 降低 0 o 3 后 ， 此 劣 化 带 开 始 一1 O 0 5 0 0 5 0 I O 0 l 5 0 2 O 0 2 50 x h n 图 3 3组合 秋 千 模 型 下广 义 损 伤可 靠度 切 片 云 图 ( 1 ) 8 4 6 2 8 4 6 2 3 3 3 2 2 l l 1 0 O l 9 7 5 3 I 5 5 5 5 5 5 5 6 5 4 3 2 l 0 - 9 6 0 0 O 0 0 O 0 0 0 0 一 m o - 一 8 4 6 2 8 4 6 2 3 3 3 2 2 i l l O 0 l l 一 1 宣 【 一 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 第 1 期 王亚 军 ， 等 ： 碾 压 混凝 土重 力坝的 广义损 伤 可靠度及敏 感性8 5 向坝踵处 移动 ， 同时 坝 体 与坝 基 连 接段 的 可靠 指 标 最 大增 加 0 1 5 ， 表 明弹性 模 量变 异水 平 降低 对 于坝 体结 构 的整 体稳 定 是 有 利 的 ( 图 3 4 ) 。但 抗 压 强 度 变异 增加 0 0 1时 ， 坝体 与坝 基连 接段 的可靠 指标 骤 降至 0 8左右 ， 且 在 坝踵 与 坝 趾 间形 成 几 乎 贯 通 的 分割 劣化带 ， 上 游坝面 弯折处 可靠 指 标甚 至低 于 0 4 ( 图 3 5 ) 。 一 l 00 -5 0 0 【 J 儿 1 50 2 00 2 31 ) x m 变异降低 ( ) 0 3 ) 图 3 5 组 合 秋 千 模 型 下 广 义 损 伤 可 靠 度 切 片 云 图 ( 2) 由不 同泛 函模 型 的 激励 分 析 可 以看 出 ： 结 构 破 坏与 失效形 式复 杂 ， 尤 其是工 程结 构 系统 ， 其 灾变 存 在多 种可能 ， 至 于 岩土 材 料 损 伤 ， 则 必 然 是 广 域 的 ， 而非 落于某 一不 动点 的破坏 ； 此外 ， 唯 像论 下 的工 程 分析 结果反 映 了力 学 行 为 的某 种 可 能 ， 但 可 能 不 是 唯一 的 ， 模糊 激励 下 的广义损 伤场 ， 通 过对 材 料损 伤 的模糊 随机 生成 、 建立模 糊演 化下 的损 伤 随机 分 布 、 实现 广义损 伤 可靠 度 评 价 ， 对结 构 系统 各 关 键 部 位 的劣化 及损 伤发 育 给 出 了 多种 可 能 ， 较 合 理 地 刻 画 了材料 的损 伤灾变 。 3 结论 1 ) 考虑材 料 局部 劣 化 的模 糊 随 机 损 伤应 力 场 ， 可 提高结 构 复杂 受 力状 态 下 的局部 计算 精 度 ， 利 于 正确定 位结 构 的安全 隐患 。 2 ) 基 于模 糊 随 机损 伤 应 力 场 ， 可 实 现 结 构细 观 分 析 与宏观评 价 的统 一 ， 将 材料 局 部 损 伤 劣 化 与对 结 构 整体稳定 有 机 结 合 ， 由此 提 出 的损 伤 劣化 带 对 材 料分 割破坏 观念 ， 是对 结构安 全评 价 的有利补 充 。 3 ) 自适应 损 伤模 型有 具 体 的适 用 范 畴 ， 实 践 中 需 结合 材料本 构模 型做 出调整 。 4 ) 碾压混 凝土 重力 坝 的主要安 全控 制指 标是 极 限抗 压 强度 ， 尤其是 在各 部浇注 层连 接段 ， 应 绝对 保 证施 工 质量 ， 以便 降低材 料及损 伤场 的空 间变异 。 参 考文献 ： 1 王 亚军 ， 张 我华岩 石边坡 模糊 随机损 伤 可靠性研 究 f J 沈 阳建 筑 大学 学 报 ： 自然 科学 版 ， 2 0 0 9 ， 2 5( 3 ) ： 42 1 426 WANG YA J UN， ZHANG W O HUA Ro c k s l o p e r e l i a b i l i t y s t ud i e s ba s e d on f u z z y s t o c ha s t i c