碾压混凝土诱导缝等效强度试验的有限元分析.pdf

2 0 1 1 年 第 7期 (总 第 2 6 1期 ) Nu mb e r 7i n 2 0 1 1 ( T o t a l No 2 6 1 ) 混 凝 土 Co nc r e t e 理论研究 THE0RETI CAL RES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 1 0 7 0 0 4 碾压混凝土诱导缝等效强度试验的有限元分析 王学志，徐宗超，田傲霜，何秀斌，张玉梅 ( 辽宁工业大学 土木建筑学院 ，辽宁 锦州 1 2 1 0 0 1 ) 摘要： 通过对试验中不同类型的轴拉试件进行数值模拟， 对试验所得数据与模拟结果进行对比分析， 证明了模型建立和参数选择的合 理性。 根据诱导缝周围应变发展情况， 结合应力分布云图， 判断诱导缝在荷载作用下的破坏过程， 提出了切实有效诱导缝布置方式。 关键词： 有限元分析；诱导缝；等效强度；裂缝扩展 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码： A 文章编号： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 1 ) 0 7 - 0 0 1 0 - 0 3 F i n i t e e l e me n t a n a l y s is o f e q u i v a l e n t s t r e n g t h t e s t f o r R C C i n d u c e d j oi n t W ANG Xu e - z h i ， X U Zo n g - c h a o， T I AN Ao s h u a n g， HE Xi u b i n， ZHANG Yu me i ( C o l l e g e o f C i v i l E n g i n e e r in g ， L i a o n i n g U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y， J in z h o u 1 2 1 0 0 1 ， C h i n a a ) Ab s t r a c t ： Th e d i ffe r e n t t y pe s o fa x i a l t e n s i o n s p e c i me ns we r e s i mu l a t e d a n d t he t e s t r e s u l t s and s i mu l a t e r e s ul t s we r e an a l y z e d， t he n t h e mo d e l s a n d p a r a me t e r s c h o z e d i n s i mu l a t e p r o c e s s i o n we r e v e r i fi e d r e a s o n a b l e A c c o r d i n g t o the d e v e l o p me n t o f s t r a i n aro u n d i n d u c e d j o i n t ， the d a ma g e p r o c e s s i o n o f in d u c e d j o i n t we r e j u d g e d c o mb i n g wit h the s tr e s s c o n t o u r s ， the e f f e c t i v e l a y o u t o f in d u c e d j o i n t we r e p r o p o s e d K e ywo r d s ： fi n i t e e l e me n t ana l y s i s ； i n d u c e d j o i nt； e q u i v a l e n t s tr e n g t h ； c r a c kp r o p a g a t i o n 0 引言 碾压混凝土筑坝技术凭借其工艺简单、 上坝强度高、 工期 短 、 造价低 、 适应性强等特点 ， 已经成为最有竞争力的坝型之 一 ，在我国得到了大力发展和广泛应用。 综合我国的碾压混凝土 技术， 我国碾压混凝土在配合比设计上已经形成少水泥用量 、 高 粉煤灰掺量的特点。 但也正是由于粉煤灰的大量掺人， 水化热散 发时间缓慢 ， 同时由于碾压混凝土上升速度快， 导致温度应力 增加 ， 从而使坝体出现破坏。 目前较为成熟的温控措施就是设置 诱导缝， 即靠诱导缝 自身对其所受拉应力的放大来优先使坝体 在诱导缝处成缝。 因此对于诱导缝的数值分析方面的研究 ， 越 来越受到专业人士的重视。 目前， 国内对于碾压混凝土诱导缝的分析主要是运用断裂 力学理论 ， 对碾压混凝土诱导缝等效强度及裂纹尖端应力强度 因子进行数值分析。 清华大学的曾昭扬教授在“ 八五” 攻关期间， 以单向间隔诱导缝为例， 将内部矩形的诱导缝简化为无限大板 的单向、 短轴间隔、 穿透裂缝模型， 根据断裂力学理论 ， 得到了 诱导缝的等效强度的计算式 ， 并据此提出了断裂判别式以及有 效作用范围估计方法 。 在“ 九五” 攻关其间， 曾昭扬教授对诱导 缝强度以及诱导缝和横缝的布置做了研究2 1 。 该研究着重在于 诱导缝断裂机理的理论研究 ， 得到缝尖应力强度因子的表达式， 同时考虑相邻诱导缝短轴方向的影响及远场应力 和诱导缝 短轴的有效裂缝长度这两个因素， 计算了裂缝开始失稳扩展时 诱导缝断面的远场应力， 并将此远场应力作为诱导缝的等效强度， 推导出等效强度 的表达式。 同时， 大连理工大学的赵国藩院士 和宋玉普教授共同负责的大连理工大学的 沙牌碾压混凝土拱 收稿 日期 ：2 0 1 1 0 1 1 8 基金项 目：国家 自然科学基金( 5 0 7 0 9 0 1 3 ) 1 0 坝应力应变全过程仿真分析 项目组， 引入了双 K断裂理论 ， 用 混凝土的起裂韧度计算诱导缝等效强度 ， 并以此反映具有宏 观裂缝坝体的抗裂性能， 同时分析了沙牌拱坝在施工期和运行 期的应力场以及诱导缝在施工期和运行期的开裂状况肼； 华北 水利学院的赵中极等提出了一种计算模拟混凝土构件荷载一 位 移全过程曲线的方法刚度荷载法 ； 中交水运规划设计院 的张雪虎、 天津大学的张社荣建立了任意加密有限元剖分网格的 三维随机有限元 自适应算法进行拱坝温度应力裂缝的计算嘲； 河海大学的顾爱军等问 借助大型通用有限元软件 A NS YS计算 软件对碾压混凝土拱坝诱导缝的工作机理和作用进行了探讨 ， 用线弹性断裂力学方法从局部分析了诱导缝的设置问题。 本研究借助于有限元软件对碾压混凝土试件进行模拟分 析 ， 对比试验结果 ， 得出更有意义的诱导缝布缝方案 ， 进一步研 究诱导缝的工作机理。 1 数值模拟模型的建立 对于穿透型诱导片轴拉试件， 可以直观的从表面的裂缝处 观察到混凝土的应力及应变发展情况 ， 从而分析诱导缝周围的 应力变化。 对于非穿透型诱导片轴拉试件， 一方面对整体模型进 行模拟分析； 另一方面为了观察诱导缝周围的应力应变发展过 程， 对其进行简化模型分析， 根据其 、 ， 、 z 方向的几何和荷载的 对称性 ， 取 1 4部分作为计算模型 ， 不仅简化了分析过程， 更重 要的是观察到了诱导缝处的开裂变化。 对于模型之中诱导片的放置， 采取对实体模型中诱导片部 位进行掏空的做法 ， 因为诱导片的设置 目的就是切断混凝土之 间的连接 ， 达到削弱等效强度的目的， 因此认为这种做法可行。 模型之中实体单元的选择为 s o l i d 6 5 ， 这是专门为模拟三维有钢 筋或无钢筋的混凝土模型而开发的， 其中材料参数的选择主要 用到混凝土的弹性模量和泊松比， 本次模拟试验中分别取为 2 x l O 10 和 0 1 7 5 。 由于实体诱导片部位进行了掏空 ， 所以实体网 格划分的时候不能用到六面体常用的映射网格划分法， 采用 自 由网格划分， 并对单元格大小进行设置。 最后对底面施加约束 和对两个侧面施加荷载 ， 进行计算， 得到模拟分析数据。 穿透和 非穿透型试件的有限元分析模型如图 1 所示。 ( a ) 穿透1 片有限元分析模型 ( c ) 穿 透5 片 有 限元 分 析模 型 f b 1 穿透3 片有 限 元分 析 模 型 ( d ) 1 4 z 穿透1 片有限元分析模型 ( e ) 1 4 非 穿 透3 片 有 限元 分 析模 型 ( f ) 1 4 t 穿透5 片有 限 兀分 析 模 型 图 1 穿透和非 穿透有 限元分析模型 2 计算结果分析 2 1 裂缝周围应变的发展情况对比 从试验曲线可以看出应变随着荷载的增加呈现由均匀发 展到非均匀发展的一个变化过程， 但它是其所量测区域上总的 变形的平均反映， 而数值模拟描述的是缝尖各个局部区域的反 应， 在混凝土没发生塑性变形时， 二种方法得到的应变值应该 是一致的， 为了准确的比较诱导缝周围应变的试验值和模拟值 ， 必须在线性变化范围内进行取值比较 ， 所以对试验取达到峰值 荷载 3 0 时的应变值 ， 对模拟值的选取， 分别对各种模型加载 进行模拟 ， 也加载到最大荷载的 3 0 ， 得到此时的模拟应变发 展情况。 分别对不同类型试件各取一个 ， 进行比较分析。 如表 1 所示 。 表 1 3 0 F 时诱导片周围应变值 通过表 1 可以看出， 试验值与模拟值所反映的规律一致 ， 两 者虽数值不同， 但差别不大， 说明数值模拟所选参数基本合理 ， 结果可信。 穿透型诱导缝周围的应变值要比非穿透型的大， 这是因为穿 透型诱导缝周围的应变片是紧贴缝尖位置布置， 非穿透型的是在 混凝土表面， 距裂缝尖端存在一定的混凝土厚度， 所以可以说混凝 土的断裂过程确实经历了裂纹的起裂、 发展到最后破坏的过程。 对于非穿透型试件 ， 其裂缝周围的应变值比较集中， 说明裂 缝是由有缝尖位置向混凝土表面开裂的， 正是因为诱导片贴在试 件的表面位置， 裂缝由中间往表面开裂的过程导致几个应变片的 均匀发展， 所以其值比较接近， 在对试件模拟过程中， 发现在非穿 透型试件诱导片部位的上表面和下表面均出现了应力集中， 也证 实了这一点； 相对非穿透型试件而言， 穿透型 1 片试件周围应变变 化比较明显， 裂纹是由裂缝尖端向外侧发展的， 和模拟中应力发展 应力集中出现的位置符合， 穿透型3片和 5 片也出现了应变值比 较接近， 这是因为相邻诱导片之间的相互作用的结果。 2 2 诱导缝应力分布 图 利用有限元软件对试件进行模拟分析， 能够直观地看到在 荷载的作用下裂缝周围应力的发展情况， 来作为分析诱导缝应 力分布的依据， 进一步来判断诱导缝的破坏机理。 2 2 1 穿透型诱导缝应力分布 图2为穿透型 1 、 3 、 5 诱导缝的应力分布图。 从图中可以很 ( a ) 穿透 型 1 片应 力 分布 图 ( b ) 穿 透 型3 片 应力 分 布 图 f c 1 穿透 型5 片 应 力分 布 图 图 2穿透型应力分布图 I | 湖 1 直观看到在诱导缝的周围存在不同程度的应力集中， 并且对周 围混凝土应力分布具有一定影响， 是应力分布不均匀向外扩展 ， 距离裂缝越近 ， 应力越大， 说明穿透型诱导缝试件的破坏始于 诱导缝的尖端 ， 裂缝向外扩展的， 这与通过裂缝尖端周围应变 的分析裂缝的发展过程不谋而合。 2 2 2 非穿透型诱导缝应力分布图 图 3为非穿透型 1 、 3 、 5诱导缝的应力分布图。 经过分析， 非穿透型试件诱导缝处也存在不同程度的应力集中， 引起周围 混凝土应力分布均匀， 并且逐步朝着混凝土的外表面扩展， 在缝 尖位置处应力最大， 这与通过试验分析所得出的非穿透试件的 裂缝是由缝尖位置开始， 从里向外的一个扩展过程是相对应的。 ( a ) l 1 4 ： 穿透1 片应力分布图 ( b ) 1 ， 4 非穿透3 片应力分布图 ( c ) 1 4 非穿透5 片应 力分布 图 图 3 1 4非穿透应力分布图 通过对穿透型和非穿透型诱导缝的应力分布云图进行分 析， 从中可以很直观的看到裂缝尖端及周围的应力分布 ， 从而 为正确判断诱导缝破坏过程提供了参考 ， 其分布规律更解释了 诱导缝“ 导缝” 作用的实现过程。 上接第 9页 【 2 】K H AY A T K H， A S S A A D J E f f e c t o f W C a n d h i g h r a n g e w a t e r r e d u c i n g a d mi x t u r e o n f o r mwo r k p r e s s u r e a nd t h i x o t r o p y o f s e l f - c o n s o l i - d a t i n g c o n c r e t e J A C I M a t e r i a l s J o u rna l ， 2 0 0 6 ， l O 3 ( 3 ) ： 1 8 6 1 9 3 3 】C A U F I N B， P A P O AT h e i n fl u e n c e o f t h e h y d r a t i o n p r o c e s s o n t h e r h e - o l o g yof c e me n t p a s t e s J Z e m e n tK a l kG i p s ， 1 9 8 4， 3 7 ( 1 2 ) ： 6 5 6 - 6 6 1 【 4 A S S A AD J ， K HA Y A T K H E f f e c t o f c a s t i n g r a t e a n d c o n c r e t e t e mp e r - a t u r e o n f o r mw o r k p r e s s u r e o f s e l f c 0 n s 0 1 i d a t i n g c o n c r e t e J Ma t e ri a l s a n d S t r u c t u r e s ， 2 0 0 6 ( 3 9 ) ： 3 3 3 3 4 1 【 5 A S S A AD J ， K H AY A T K H E f f e c t o f c o a r s e a g g r e g a t e c h a r a c t e r i s t i c s o n l a t e r a l p r e s s u r e e x e e d b y s e l f - c o n s o l i d a t i n g c o n c r e t e J A C I Ma t e ri a l s 1 2 诱导缝的设置 目的是预防坝体裂缝 ， 为了达到这一 目的诱 导缝必须在坝体出现裂缝之前先开裂， 释放坝体内的能量 ， 控制 和引导温度裂缝按预期要求开裂， 避免产生不规则裂缝。 从上述 对诱导缝应力分布图分析的结果， 结合诱导缝“ 导缝” 机理 ， 可 以对碾压混凝土拱坝中诱导缝的布置作一定判断： 即诱导缝的 具体布置应根据坝体中的应力分布和诱导缝的等效强度设计 ， 但是应尽可能的靠近最大拉应力区， 因为诱导缝是靠其 自身对 其所受拉应力的放大来优先使坝体在诱导缝处开裂的； 诱导缝 处的拉应力乘上其应力放大倍数( t r x K) ， 应大于其相邻分块内 任何拉应力值。 但是实际上坝中诱导缝不宜布置在拱端及拱冠 拉、 剪、 压应力最大的部位， 这是由于碾压混凝土拱坝温降历时 时间比较长， 在运行期其缝也有可能张开 ， 诱导缝未开裂时其 力学参数的降低从而能增大了拱坝的最大拉应力 ， 在这些因素 的共同作用下这些位置的约束条件将会遭到破坏导致拱坝应 力条件恶化。 3结论 ( 1 ) 通过对穿透型和非穿透型诱导缝轴拉试件进行数值模 拟 ， 对 比分析了在线性条件下裂缝周围的应变发展情况 ， 可以 作为诱导分开裂过程分析的依据。 ( 2 ) 利用穿透型和非穿透型轴拉试件的应力云图 ， 分析了 裂缝的发展情况， 同时结合诱导缝“ 导缝” 作用原理 ， 对拱坝中 诱导缝埋设的位置做了进一步解释， 对实际工程具有指导意义。 参考文献 ： 1 1曾昭扬， 马黔 高碾压混凝土拱坝构造缝研究 J 】 _ 水力发电， 1 9 9 8 ( 2 ) ： 3 0 3 4 【 2 曾昭扬 ， 王燕生 高碾压混凝土拱坝诱导缝和横缝布置研究 D 北 京： 清华大学水利水电工程系， 1 9 9 8 ： 2 3 2 9 3 3 黄达海， 宋玉普， 赵国藩大体积混凝土等效裂缝断裂模型研究 J 计 算力学学报， 2 0 0 0 ， 1 7 ( 3 ) ： 2 9 3 2 9 9 【 4 赵中极， 张镜剑， 杨耀红碾压混凝土断裂的数值仿真分析 J 】 华北水 利水电学院学报， 1 9 9 5 ， 1 6 ( 3 ) ： 1 - 7 【 5 】 张雪虎， 张社荣， 陈祖坪 用任意加密有限元剖分的方法研究拱坝强 度裂缝的产状【 D 6 顾爱军 碾压混凝土拱坝诱导缝的断裂力学分析【 D 】 南京 ： 河海大 学 2 0 0 3 作者简介 ： 联 系地址 ： 联 系电话 ： 王学志( 1 9 7 6 - ) ， 男， 博士， 副教授 辽宁省锦州市辽宁工业大学土木建筑学院( 1 2 1 0 0 1 ) 1 3 3 8 42 6 6 0 5 8 J o u r n a l ， 2 0 0 5 ， 1 0 2 ( 3 ) ： 1 4 5 1 5 3 6 】K HA Y A T K， A S S A AD J ， ME S B AH H， e t a 1 E f f e c t of s e c t i o n wi d t h a n d c a s t i n g r a t e o n v a ria t i o n s of f o r mwo r k p r e s s u r e o f s e l f c o n s o l i d a t i n g c o n c r e t e J Ma t e ri a l s a n d S t ruc t u r e s ， 2 0 0 5 ( 3 8 ) ： 7 3 7 8 7 张海伟， 蔡庆晓， 李统 自密实混凝土的研制与工程应用 J 】 _ 混凝土 ， 2 0 0 9 ( 1 1 ) ： 8 9 9 1 作者简介： 朱铁梅( 1 9 8 6 一 ) ， 女， 硕士研究生， 研究方向： 高性能混凝土。 联系地址 ： 南京工业大学中山北路 2 0 0 号2 2 6 信箱( 2 1 0 0 0 9 ) 联 系电话 ： 1 5 2 5 0 9 9 7 8 7 1