混凝土重力坝在地震荷载下的稳定分析.pdf

第 0 6 期 ( 总第 3 4 9期) 吉林水利 2 0 1 1 年 0 6月 混凝土重力坝在地震荷载下的稳定分析 宋刚 窦世涛 ： ( 1 新 疆生产建设兵 团勘测规划设计研 究院，新疆； 2 新疆兵 团水利水 电工程集团有限公 司，新疆) 【 摘要】采用混凝土损伤塑性本构模型，利用有限元分析软件 A B A Q U S进行混凝土坝的蛄构计算。分析莱混凝 土坝在 地震荷我下的响应 ，分析结构的稳 定性和任 意荷 裁作 用下结构的破 坏情况。计算蛄构表明 ：采用混凝土 损伤塑性本构模型，利用有限元分析软件 A B A Q U S 进行混凝土坝的结构计算可以更加直观反映混凝土坝的应 力、应变和整个坝坡破坏发展过程。计算 实例 中的混凝土 大坝整体稳定性 符合设计要求。 【 关蕾词混凝土重力坝 ；地震 ；损伤模型 ；稳定分析 【 中圈分类号T V 6 4 2 3 【 文献标识码】B 1 前言 混凝土重力坝是一种将土石坝碾压设备和技 术 应用于混凝 土坝施 工的一种新 型坝型 。简称 R C C D 【 1 】 。混凝土重力坝的防渗体一般有 ：沥青 砂浆防渗层、高性能混凝土防渗体、新型土工膜 材料等。混凝土重力坝不宜设置纵缝 。横缝一般 为非暴露平面连续缝。由于混凝土坝这种特殊 的 结构 。在非常工况下 的结构设 计要 求也非 常严 格 。 在地震工况下 ，混凝土重力坝易产生裂缝 ， 而且混凝土 坝对地震荷载的响应是非常复杂 的。 为 了探求 混凝土重力 坝在 地震荷载作 用下 的响 应 ，分析结构的稳定性和在不利工况下的破坏情 况 ，本文采用混凝土损伤塑性本构模型 ，利用有 限元分析软件 A B A Q U S进行混凝土坝的结构计 算 ，分析某混凝土坝在地震荷载下的响应 ，分析 结构 的稳定性 和任意荷载作用 下结构 的破坏 情 况 。 2 工程概况 某混凝 土重力 坝 ，建在坚 硬 的微 分化基 岩 上 ，最 大坝高 1 0 3 m，坝前设 计水 位 为 9 1 7 5 m， 坝顶宽为 1 4 8 m，最大底宽为 7 0 m。坝后 在高度 6 6 5 m处开始边坡 ，坡 比为 1 ： 1 7 5 。坝前采用沥青 砂浆防渗层进行防渗 。并在坝体内设置灌浆排水 廊道 ，坝体 的典型断面图见 图 1 。在坝顶靠近坝 前处设置一道混凝土防渗墙 与沥青砂浆 防渗层 相连 ，形成坝体的一道连续 的防渗体 系 ，该 防渗 体系是坝体唯一的防渗体系 。承担着坝体任意工 况下的防渗任务。因此 防渗体系是否裂缝关系 到坝体的安全运行。 3 有限元分析 3 1 本 构模 型 本文采用 A B A Q U S对混凝土重力坝在地震荷 载作用下的结构响应进行分析 。计算时采用混凝 土损伤塑性材料模型 ，分析坝体结构的稳定性和 在任意荷载作用下的结构破坏情况。为了便于计 算和分析 假定混凝土重力坝的力学模 型为二维 的平面应力模型 圜 。 混凝土损伤塑性本构模型在 A B A Q U S分析手 册的 l 1 5 3 章节和 A B A Q U S 理论手册的4 5 2章 节有详细的描述。我们在计算 中关注的是混凝土 的拉伸行为。混凝土大坝的材料属性见表 1 。 【 收稿 日期】2 0 1 1 - - 0 9 - 0 6 【 作者简介】赵 晶淬 ( 1 9 8 2 - ) ，男，毕z iP -I - 华北水刺水 电学院。大学。g s r。从事水利工程质量检 潮。 一 2 O一 吉林水利 混凝土重力坝在地震荷载下的稳定分析 宋刚等 2 0 1 1年 0 6月 圈 l 坝体的典型断面 表 l 混凝土大坝 的材料性 弹性模量( 枷， 8 】 泊 松比 密度 膨胀角( o ) 初始压缩屈服预应力( h a ) 抗压强度( s i v a ) 拉伸破坏应力( M P a ) 0 1 6 2 6 0 o 3 6 l 2 5 2 4 - 4 2 7 3 2有 限元 网格模型 图 2中的 ( a )图为该混凝土重力 坝的结构有 限元模型 ，它包含了 7 6 0个减缩积分 ( C P S 4 R )平 面应力单元 翻 。其中沥青砂浆防渗层的有限元 网 格也包含在其 中。坝体网格 的划分采用整体划分 技术 ，进行整体的网格划分 ，然后进行特殊边 网 格种子数的调整 ，进行网格奇异性检验 ，直至划 分的网格通过检验 ，再进行下一步的计算工作。 3 3 有 限元计算 结果 采用有限元软件 A B A Q U S进行混凝土坝的结 构计算时 。首先计算坝体在 自重和静水压力作用 下的结构稳定 得 出结构在这种 工况下 的变形 值 。将计算结构进行保存。然后再在结构上施加 地震荷载 。计算坝体的地震荷载作用下 的变形 。 地震荷载采用水工建筑物抗震设计规范 ( S I 2 0 3 9 7 )中的规定进行施加。由地震所产生的竖 向力 和水平力都可以按地震惯性力进行等效 从而确 定其等效的动态荷载 卿 。 从图 3可以知道 混凝土大坝在地震荷载作 用下的最大拉伸位移为 2 7 7 e m。最大位移值发生 在左坝肩处 ；最小位移值为 4 6 7 e m，最小位移值 发生在后坝坡的坝高 2 3处。 ( a ) 圈 2 未变形和变形的有限元甩格田 Ma N! 图 3 坝体在地震 响应下的拉伸位移等值线圈 通过分析图 2的 ( b )图 ( 需要说明的是 ，为 了清楚地呈现变形 图这里坝体的位移变形进行 了放大 ，变形放大系数为 1 0 0 )和图 3 ，该坝体 出 现 了两个破坏位置 ：第一处是坝体颈部远离水库 方 向应力集中的位置 ，也即坝体的左坝肩处 ；第 二处为坝体坝基靠近水库的位置。由于地震荷载 总是在一定的幅值范围内往复变化 。即从最初的 地震波过渡到其峰值地震波。大坝的两处破坏位 置的裂缝 。也随着地震荷载的往 复变化而发生扩 张 、闭合 、再扩张等变化 ，同时 ，由此传递给坝 体 的荷载总是在大坝 的拉伸破 坏范 围之 内 。因 此 ，混凝土大坝不会产生由于拉伸集中应力而产 生破 坏 。当地震荷载 消失后 ，除 了裂 缝尖端 附 近 。所有的裂缝均在压缩应力作用下处于闭合状 态 。也 即大坝的刚度恢复为地震前的状态 。在整 个坝体 的数值模拟 中没有产生任 何 的压缩破 坏 。 一 21 吉林水利 混凝土重力坝在地震荷载下的稳定分析 宋刚等 2 0 1 1 年 0 6月 混凝土的抗压 强度要远远大于其抗拉强度 。 从表 l就可以很清楚地知道 。工程实例 中所用混 凝土的抗压强度为 2 4 -4 M P a 。其抗拉强度为 2 7 M P a 。因此 ，在混凝土大坝结构 的分析和计算中， 我们只注重结构的抗拉特性 ，计算 常规荷载 ( 坝 体 自身重-力作用和水压力的作用)和地震荷载作 用下的坝体结构拉伸位移 。并分析得 出混凝土大 坝的破坏位置 。以便更好地指导工程 的设计和施 工 。 4结语 本文采用混凝土损伤塑性本构模型 。利用有 限元分析 软件 A B A Q U S进行混凝 土坝 的结构计 算 ，分析混凝土坝在地震荷载下的响应 ，分析结 构的稳定性和任意荷载作用下结构 的破坏情况 。 在坝体承受常规荷载作用下 近而又与水平等效 地震荷载等其它外荷载一起施加到坝体上 ，采用 A B A Q U S大型有限元通用计算软件进行弹塑整体 稳定性分析。分析和计算结果表 明。该混凝土大 坝 能够承受连 同地震荷 载作 用下 的一切 常规荷 载 ，不会出现地震稳定问题 。 在混凝土坝的抗震稳定 分析 中。由于混凝土 材料本构模型的局限性 ，以及有限元法和本构模 型相结合有待进一步完善 的理论基础 。 目前尚未 在实际应用 中得到广泛接受。因此 在混凝土坝 地震响应分析 中。将混凝土损伤塑性本构模型和 有限元分析软件相结合 ，可得到更客观实际的评 价结论 。同时也能较直观 、清晰地评判出应力和 变形的发展过程。口 参考文献 ： 【 l 】陈德亮 水工建 筑物 ( 第 四版) 【 M】 北京： 中田水利水 电出版 社，2 0 0 7 【 2 】薛守义 弹塑性 力学 【 M】 北京： 中目建材工业 出版社， 2 0 0 5 【 3 】 庄茁 A B A Q U S非线性有限元分析与实例 町 北京： 科学出版 社 2 O0 5 【 4 S L 2 0 3 - 9 7 ， 水工建筑物抗震 设计规 范 【 s 】 北 京： 中田水利水 电 出版社 1 9 9 8 T h e s t a b mt y a n a l y s i s f o r Co n c r e t e g r a v i t y d R m u n d e r s e i s mi c l o a d S o n g Ga n g ， Do u S h i - t a o Ab s t r a c t ： T h i s p a p e r i n t r o d u c e s c o n c r e t e d a m s t r u c t u r e c a l c u l a t i o n ，u s i n g t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o f t w a r e AB A Q U S ， c o m b i n i n g the p l a s t i c c o n s t i t u ti v e m o d e l o f c o n c r e t e d a m a g e ， a n d a n a l y s e s the r e a c ti o n o f a c o n c r e t e d am u n d e r e a r t h q u a k e l o a d i n g ,a n d i t s s t r u c tur a l s t a b i l i t y a n d s t r u c t u r a l d a ma g e u n d e r an y l o a d c o n d i ti o n s Th e res ult s s h o w tha t ： Th e a b o v e me tho d C an b e mo r e d i r e c tl y r e fl e c t the s t r e s s ，s t r a i n an d the e n ti r e s l o pe d mm g e p r o c e s s o f the c o n c r e t e d a m Th e o v e r a l l s t a b i l i t y o f the c o n c ret e d am i n the e x am p l e me e t s the d e s i g n r e q ui r e me nts Ke y wo r d s ： c o n c r e t e g r a v i t y d am ； e a r t h q u a k e ； d a ma g e mo d e l ； s t a b i l i t y a n aly s i s 一 22