冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性分析.pdf

第 3 3卷 第 5期 2 0 1 6年 5月 长江科学 院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e V0 1 ． 33 No． 5 Ma v 2 0 I 6 冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性分析 顾培英 ， 肖仕燕 ， 邓昌 ， 章道生 ， 王建 ( 1 ． 南京水利科学研究院， 南京2 1 0 0 2 9 ； 2 ． 河海大学 水利水电学院， 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要： 冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性较静荷载作用下要复杂得多。采用钢板均匀冲击模拟水下循环冲 击波对混凝土重力坝的作用， 试验遵循几何和重力相似准则， 对模型重力坝进行均匀冲击破坏特性研究， 得到模型 坝体的动力破坏特性， 并对裂缝位置和扩展情况进行定位和追踪。试验结果表明： 当坝体遭受循环均匀冲击荷载 时， 上游坝面坝体最大动应变不再在坝踵处， 而是位于坝体中部； 坝头部位是抗冲击的薄弱部位 ， 最先出现开裂破 坏； 坝体破坏模式包括贯穿性断裂、 碎裂、 层裂和抛掷等。试验结果可为大坝的运行管理、 防爆抗振设防及安全评 价提供理论依据和技术支持。 关键词： 混凝土重力坝； 冲击荷载作用； 循环冲击； 响应特性； 破坏模式 中图分类号： T V 3 2 ． 3 文献标志码： A 文章编号 ： 1 0 0 1 — 5 4 8 5 ( 2 0 1 6 ) 0 5 — 0 0 4 8 — 0 5 1 研究背景 水 电能源是 目前大规模开发 的清洁能源 ， 也事 关防洪抗旱 、 航运、 环境保护等重大国计 民生问题 。 我国水能资源十分丰富， 实际开发量和可开发量均 处于世界首位。近年来 我 国重力坝 的数量越来 越 多， 坝高越来越高， 这些高坝运行过程中除受静载、 地震荷载作用外 J ， 还可能遭受 自然灾害或人为引 起 的冲击荷载的作用( 如大体积山体滑坡冲人水库 引起的冲击、 爆炸 冲击 、 船舶 冲击等) ， 存在 动力破 坏的危险。大坝的意外损毁 ， 可能导致灾难性 的洪 水事件 ， 席卷下游的居民区和农业土地， 给 国家和人 民的生命财产带来巨大的损失和灾难 。大坝安全问 题面临着前所未有的挑战。 近年来 国内外学者就冲击荷载作用下水中结构 的动力响应开展 了大量的研究 ， 如 Ho u l s t o n等 J 对不同强度 的方形薄板进行 了水下爆炸试验研究获 得结构动力 响应 的位移分布值 ， F u j i k a k e等 利用 落锤试验装置对钢筋混凝土梁在 冲击荷载下的动力 响应特性进行 了试验研究 ， 并采用双 自由度质量 一 弹簧一 阻尼器模型对冲击试验进行计算与分析， 通 过对比试验结果与模型计算结果可知， 两者 吻合 良 好 。姚熊亮等 利用 L S ． D Y N A有限元软件对 圆柱 结构在不同流体边界下水下爆炸 冲击载荷作用的动 态响应进行数值研究 ， 并将数值模拟结果 和经验公 式计算结果 以及海军工程 的实验结果相 比较 ， 结果 表明利用 L S ． D Y N A模拟水下爆炸在一定范围 内是 可行的。张社荣等 运用显式动力分析程序 L s — D Y N A， 对水下爆炸 冲击荷载作用下大坝动 态响应 进行分析 ， 探讨大坝可能破坏模式及相应 的破坏机 制。张社荣等 采用 S P H ． F E M耦合 方法 ， 对水下 接触爆炸下 的大坝动态 响应及毁伤特性进 行 了分 析。王山山等 通过重力坝模型试验的方法 ， 根据 结构振动响应数据， 有效测试结构的动力特性。综 上所述可以看到 ， 冲击对水 中结构 响应的试验研究 主要集中于结构的动态响应 ， 对于大坝的安全 ， 人们 更关心的是坝体遭受循环冲击荷载大坝的破坏形态 和破坏程度的估计。本文用机械冲击模拟大坝在强 冲击波作用下的破坏过程 ， 开展大坝在核爆 、 山体滑 坡冲击作用下的破坏试验。 2理论分析 钢板冲击模型重力坝时冲击荷载随时间急剧变 化 ， 且使系统产生惯性力。本研究采用能量法近似计 算结构的冲击力和冲击应力， 并给出如下假定： ①不 计冲击物钢板的变形 ； ②冲击物钢板撞击重力坝迎水 坝面回弹后， 不再作用第 2 次； ③被冲击物模型重力 坝的惯性与冲击物钢板相 比很小 ， 可略去不计 ， 冲击 力瞬时传遍整个被冲击物模型重力坝； ④整个冲击过 程中， 构件在线弹性范围内； ⑤冲击过程 中， 声 、 热等 收稿 日期： 2 0 1 5 — 0 3 - 0 9 ； 修 回日期： 2 0 1 5 - 0 4 一l O 基金项目： 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 9 1 0 7 ) 作者简介： 顾培英( ( 1 9 6 8 一 ) ， 女 ， 江苏南通人， 教授级高级工程师 ， 主要从事水 工结构抗震、 减震 、 损伤振动诊 断研究 ， ( 电话 ) 1 3 6 0 5 1 6 8 9 0 4 ( 电 子信箱 ) 2 3 7 6 5 1 7 0 8 @q q ． c o rn。 第5期 顾培英 等冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性分析 4 9 能量损耗很小， 可略去不计； ⑥地基视为刚性 ， 不考 虑大坝和地基 的相互作用 ， 不考虑温度变化。 图 1 为坝体结构受冲击荷载前后的受力简图。 其中， 静荷载作用下坝体向下游面倾斜的水平距离 为 ⋯ 冲击荷载作用下坝体向下游面倾斜的水平距 离为 。根据能量守恒定律可得公式如下： 1 1 m = i l ； ( 1 ) ^ ^ 』 一 u ， 、 二 二 ： ( 2 ) 、 式中： m为加载板质量 ； 为冲击速度 ； q为均布荷 载； Z 为坝高 。 C o ) 静载作用下 图 1 坝体结构受冲击荷载前后的力学分析 F i g ． 1 F o r c e a n a l y s i s o f s t r u c t u r e b e f o r e a n d a f t e r i mp a c t l o a d 由此可推出动力系数 K 的表达式如下 √ 。 ( 3 ) ^√ g D ‘ 静荷载作用下重力坝静位移 可表示为 6 = q Y ( y +6 1 4 1 y ) 。 ( 4 ) 式中： E为弹性模量 ； ， 为惯性矩 。 静荷载作用下的应力一 应变计算表达如下式 ： = 1 2 = 1 3 2+ 。 ． 9， ‘ 。 ， Y∈ ( 0 ， 0 ． 6 6 ) ； ( 5 ) M = q F ，l∈ ( 0 ， 0 ． 7 5 ) ； ( 6 ) ： ， ∈ ( U一 ， U一 ． 6 3 ) 。 ( 一I ) t _， ∈ ， 0 j J 。 L ， 由式( 5 ) 至式( 7 ) 可知 当 = O ． 6 3 时 取得最 大应力 ， 即坝踵和坝址处应力应变响应最大。 3 试验概况 3 ． 1 试件设计 本试 验 模 拟 的 是 枫 树 大 坝 的某 坝 段 ， 坝 高 9 5 ． 3 m， 坝底厚度 8 0 m， 坝顶宽度 2 9 m。本文模 型 的比例尺为 1： 1 2 7 ， 试验采用水泥砂浆来制作结构 模型， 水泥砂浆这种模型材料的密度 、 泊松比都很容 易与实际混凝土 一致。试验共设计 了一个重力坝 段 ， 坝段高0 ． 7 5 m， 宽0 ． 6 3 m， 厚0 ． 0 9 m， 水泥砂 浆通 过搅拌机搅拌， 木模浇筑成型， 达到龄期后首先进行 水泥砂浆试块材料力学性能试验 ， 水泥砂浆试块 弹 性模量2 1 ． 3 G P a ， 抗压强度2 9 ． 7 MP a ， 泊松t h 0 ． 1 4 。 3 ． 2 试验装置 由于爆炸或山体滑坡产生的水下冲击波强度 高， 传播速度快， 在一定范围内球面波可以作为平面 波来考虑， 坝体上游面受到的冲击荷载可以认为沿 坝高和坝轴线方 向均是均匀分布的， 同时考虑 到坝 体横向分缝形成坝段， 各个坝段独立工作， 所以取一 个坝段研究可以代表整个坝体。 均匀冲击试 验激励装置 自行设计， 将 5块 0 ． 2 3 m x 0 ． 1 4 re x 0 ． 0 2 m 钢板作为加载板， 每块加载 板分别用 2根角钢悬 吊， 且悬 吊高度相等 ， 并利用滑 轮与顶部加载板相连， 加载时通过调整钢板到地面 的垂直高度来改变冲击能， 为保证加载板同时释放， 本试验用电磁铁同时断电来控制。模型重力坝底部 通过钢板底座锚 固住 ， 对重力坝迎水 面施加均匀冲 击荷载 ， 试验激励装置如图 2所示。 3 ． 3 测试方案 试验采用 固定钢板重量 ， 变化钢板冲击速度改 变冲击能量。考虑加 载板 间的相互作用及摆臂变 形、 摩擦力等影响， 应用 H X - 3 型高速摄像机分别测 得 5块加载板接触试件前的瞬时冲击速度及接触时 刻 ， 计算冲击能。测试结果表明， 5块加载板基本能 同时接触试件 ， 一般情况下冲击速度差异不大 ， 近似 认为冲击力均匀。由于摆臂质量很小 ， 只有加载板 的1 ．2 ％， 摆臂冲击能会更小， 故忽略摆臂冲击能影 响。考虑应变的对称性， 同时兼顾其他同步测试项 目， 如高速摄影、 冲击加载试验装置、 声发射等应变 片只贴在模型的左侧， 一共 1 1 个测点。除第 1 个测 点只贴有竖 向应变片 ， 别 的测点均有横向、 竖 向、 斜 向的三向应变片 ， 共计 3 1 个应变片， 如图 3所示。 5 2 长 江科 学院院报 尺寸为 5 m m X 5 m m 。结合高速摄像仪可看到在工 况 3冲击荷载作用下坝体向前倾斜与钢板支座分 离 ， 卸载后回落到原位 。 ( 4 ) 工况4荷载作用下坝下游左侧表层砂浆碎 裂脱 落严 重 ， 坝下 游右 侧裂 缝2 — 1 扩展 形 成裂 缝 2 - 2 ， 坝体迎水面裂缝 2 — 5扩展同时延伸形成裂缝 2 — 7 ， 坝体背水面完整无破损现象。 ( 5 )工况 5 荷载作用下裂缝贯穿， 坝头被撞掉 抛向下游坝面 ( 图 7 ) 。 根据坝体模型最终破坏形态分析表 明， 在冲击 荷载作用下 ， 重力坝坝头是抗 冲击 的薄弱部位 。尽 管在不同冲击荷载作用下结构最大应变响应基本都 集中生在上游坝面中部 ， 但在坝颈处上下游方向首 先形成贯穿裂缝。是由于坝颈处受较大剪应力和拉 应力作用， 且断面尺寸突变 ， 坝颈处出现应力集中现 象。在强冲击荷载作用下 ， 坝体内的应力 、 应变变化 ( 时、 空变化) 比较复杂， 因此坝体的破坏特性具有 多样性和随机性。 5 结 论 ( 1 )在冲击荷载作用下 ， 坝体各部位最大应变 响应值基本都随冲击能量的增大而增大。 ( 2 )在循环均匀冲击荷载作用下， 坝体迎水坝 面最大拉应变响应集 中在迎水坝面中部。 ( 3 )坝头部位是混凝土重力坝的抗冲击的薄弱 部位 ， 冲击过程 中， 坝颈上下游方 向首先贯穿 ， 而使 混凝土重力坝丧失基本承载力 。 ( 4 )在不同的冲击荷载用下 ， 混凝土重力坝 的 损伤破坏程度不同， 冲击能量的不同对混凝土重力 坝在强冲击荷载下的非线性动力反应影响较大。 本试验不足之处在于 ： 坝体结构与支座用螺栓紧 固， 支座缓冲作用相应较弱， 使得结构更容易破坏。 参考文献： [ 1 ] 陈厚群． 水工混凝土结构抗震研究进展的回顾和展 望[ J ] ． 中国水利水 电科学研究院学报， 2 0 0 8 ，6 ( 4 ) ： 2 4 5—2 57 ． 『 2 ] H O U L S T O N R， S H A T E N J E ． S t r u c t u r a l R e s p o n s e o f P a n — e l s S u b j e c t e d t o S h o c k L o a d i n g [ C ] ∥S h o c k a n d V i b r a t i o n ． D o y t o n： U S Na v al Re s e a r c h L a b， 1 9 8 5 ． [ 3 ] H O U L S T O N R ． D a m a g e A s s e s s m e n t o f N a v a l S t e e l P ane l s S u b j e c t e d t o T r e e -—fi l e d a n d E n h a n c e d A i r -b l a s t Loa d i n g [ C ] ∥A d v a n c e s i n Ma r i n e S t ruc t u r e - 2 ． E s s e x ： E l s e v i e r S c i — e n c e P u b l i s h e r L t d ． ， 1 9 9 1 ： 1 8 1 —1 9 2 ． 『 4 ] F U J I K A K E K， L I B， S O E U N S ． I m p a c t R e s p o n s e o f R e i n — f o r c e d C o n c r e t e B e a m a n d I t s A n al y t i c a l E v al u a t i o n [ J ] ． J o u rna l o f S t r u c t u r al E n g i n e e r i n g ， 2 0 0 9 ，1 3 5 ( 8 ) ：9 3 8 — 9 5 0 ． [ 5 ] 姚熊亮， 王玉红， 史冬告． 圆筒结构水下爆炸数值实验研 究[ J ] ． 哈尔滨工程大学学报， 2 0 0 2 ， 2 3 ( 1 ) ： 5 - 8 ． [ 6 ] 张社荣， 王高辉． 水下爆炸冲击荷载下混凝土重力坝的 抗爆性能[ J ] ． 爆炸与冲击 ， 2 0 1 3 ， 3 3 ( 3 ) ： 2 5 4 - 2 6 2 ． [ 7 ] 张社荣， 孔源， 王高辉， 等． 混凝土重力坝水下接触爆 炸下的毁伤特性分析[ J ] ． 水利学报， 2 0 1 4 ， 4 5 ( 9 ) ： 1 0 5 7 — 1 O 6 5 ． [ 8 ] 王山山， 杨振宇． 重力坝动力特性测试方法模型试验研 究[ J ] ． 振动与冲击， 2 0 1 2 ， 3 1 ( 1 0 ) ： 1 1 — 1 5 ． [ 9 ] 胡江， 马福恒， 李子阳， 等． 考虑极限倾覆失效的? 昆 凝 土坝整体稳定状况分析 [ J ] ． 长江科学院院报， 2 0 1 4 ， 3 1 ( 1 2 ) ： 1 0 1 —1 0 6 ． ( 编辑： 赵卫兵) Da m a g e Ch a r a c t e r i s t i c s o f Co n c r e t e Gr a v i t y Da m un d e r I mp a c t Lo a d G U P e i - y i n g ，XI AO S h i — y a n ，D E NG C h a n g ，Z HANG Da o ． s h e n g ，WAN G J i a n ( 1 ． N a n j i n g H y d r a u l i c R e s e a r c h I n s t i t u t e ， N a n j i n g 2 1 0 0 2 9 ，C h i n a ； 2 ． C o l l e g e o f Wa t e r C o n s e r v a n c y a n d H y d r o p o w e r E n g i n e e ri n g ， Ho h a i U n i v e r s i t y ，N a n j i n g 2 1 0 0 9 8 ， C h i n a ) Abs t r a c t ： Th e d y n a mi c r e s po n s e s o f c o n c r e t e g r a v i t y d a m u nd e r i mpa c t l o a d i n g a r e mu c h mo r e c o mp l i c a t e d t h a n t h a t un d e r s t a t i c l o a d i n g ．I n t h i s pa p e r t h e d a ma g e c ha r a c t e ris t i c s o f g r a v i t y d a m i s r e s e a r c h e d b y a p p l y i ng s t e e l u n i — f o r m i mp a c t t o s i mu l a t e t h e c y c l i c i mp a c t o f wa v e l o a d i n g u n d e r w a t e r o n c o n c r e t e g r a v i t y d a m．G e o me t r i c a l a n d g r a v i t y s i mi l i t u d e a r e b o t h s a t i s fi e d i n t h e mo d e l t e s t ．T h e d y n a mi c r e s p o n s e s o f mo d e l d a m a r e o b t a i n e d，a n d t h e p o s i t i o n a n d p r o p a g a t i o n o f c r a c k s are o b s e r v e d a n d t r a c k e d ． R e s u l t s r e v e a l t h a t w h e n t h e d a m i s s u b j e c t e d t o c y c l i c u n i for m i mpa c t l o a d i n g，t he ma x i mu m s t r a i n o f d a m i s a t t h e mi d d l e o f t h e up s t r e a m da m f a c e r a t h e r t h a n a t t he d a m h e e l ； c r a c k i n g d a m a g e o c c u r s fi r s t a t t h e j e t t y h e a d w h i c h i s a w e a k p a r t o f i m p a c t r e s i s t a n c e ． T h e f a i l u r e mo d e s o f c o n c r e t e g r a v i t y d a m u n d e r c y c l i c u n i f o r m i mp a c t i n c l u d e c r a c k i n g ，f r a g me n t i n g ，s p a l l i n g a n d t h r o wi n g ． Th e r e s u l t s p r o v i d e t h e o r e t i c a l b a s i s for t h e o pe r a t i o na l ma n a g e me n t ，s h o c k r e s i s t a n c e a n d s a f e t y e v a l u a t i o n o f d a ms ． Ke y wo r d s： c o nc r e t e g r a v i t y d a m ；i mp a c t l o a d；c y c l i c i mp a c t ；r e s p o n s e c h a r a c t e ris t i c s ；f a i l ur e mo d e s