【doc】沙牌碾压混凝土拱坝损伤开裂分析.doc
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1、沙牌碾压混凝土拱坝损伤开裂分析第4l卷第2期20O1年3月大连理工大学JournalofDalJanUniversityofTechnologyVo1.41.No2Mar2001文章编号;1000-8608(2001)02024405沙牌碾压混凝土拱坝损伤开裂分析黄迭海,高政国,宋玉普.(1.清华学水利水电工程系.北京100084;2.大连理工大学土木建筑学院,辽宁大连116024)摘要:碾压混凝土拱坝的提度裂整与一般混凝土坝的温度裂整有本质区别.为了有救控制颤体开裂,要求分缝设计与应力场仿真分析密切结音目此进行了沙牌碾压混凝土拱颤三维非线性直力场曲奎过程仿真舟析,在此基础上对拱垣在不同舟整情
2、况下的损伤开裂行为进行了研究.计算中考虑了涅度荷载,自重,静水压力,混凝土镣变和自生体积变形等情况.通过计算分析得出了妒牌碾压混凝土拱埙的开裂规律,为涉牌碾压混凝土拱坝的分缝设计提供了依据.关键词:拱坝/碾压混凝土;徐变应力诱导缝中图分类号:TV642.2文献标识码A0引言碾压混凝土拱坝的温度裂缝与一般混凝土坝中经常发生的表面温度裂缝相比,在性质上有很太不同.表现在;(1)大部分温度荷载来自施工期的温升和温度回落,温度拉应力遍及整个坝厚.裂缝深度远太子一般混凝土坝因内外温差引起的表面裂缝.(2)温度应力主要是由两岸岩基约束所引起的结构性应力,裂缝多发生在晟关键的拱籍和拱端的高应力区.(3)裂缝
3、面太多垂直于水平拱的传力方向,对拱向受力结构有较大影响.大量实测数据表明,当后期内部降温引起拉应力或外部升温拉应力区转向内部时都将f起表面裂缝向内部发展而贯穿坝体.若不对裂缝进行有效控制,可能对拱坝的整体稳定性造成严重后果,危及到坝体安全.选择适合碾压混凝土拱坝结构的构造分缝设计进行裂缝的有效控制,对碾压混凝土拱坝设计尤其关键.碾压混凝土拱坝的诱导缝设计主要解决二个问题:第一是缝断面的形式和构造问题;目的是降低缝面的强度,以确保诱导缝能按预期要求及时开裂.第二是诱导缝布置问题;选择合理的位置,让诱导缝能按预期要求拉开.横缝是除诱导缝之外的又一种可行选择但传统的横缝施工方法不利于碾压混凝土的通仓
4、碾压,所以横缝的数目不宜过多,位置最好限制在中上部.碾压混凝土拱坝诱导缝与横缝的设计问题与拱坝的仿真计算密不可分,只有计算出不同时期坝体上的荷载效应,掌握了坝体及诱导缝的开裂特性,才能设计出合理的分缝方案,保障大坝的安全.本文应用三维非线性有限元分析方法对沙牌碾压混凝土拱坝进行了垒过程温度应力仿真计算分析,对坝体不同结构分缝方案在旃工及运行期的损伤开裂行为进行了分析.1三维非线性有限元徐变应力方程的隐式解法仿真分析的一个核心问题就是要研究温度历史,应力历史对大坝蓄水后的应力状况与变形状况的影响.在馄凝土的应力历史中,馄凝土徐变应力极为重要.目前,工程上普遍采用韧应变法求解徐变应力增量.由于昆凝
5、土温度变化,昆凝土自身体积变形等引起的应力增量也可用初应变法求解,所以,这三者可以用统一的有限元格式表达.在求解弹性徐变应力方法中,以文献2提出的混凝土结构徐变应力分析的踌式解法最为成熟和实用.有限元基本方程为收璃日期:2000-07?03|恬回日期-2001?Ol?06作者简介:黄选海(964?),男,础教授,太连理工大学996级博士生l宋玉昔(1944-),男,教授,博士生导师第2期黄达海等:沙牌碾压混凝土拱坝损伤开裂分析KA6.=P+aPT+Ap:(1)式中:K=fB口dV,为结构的刚度矩阵;Ap为外荷载增量;P=口_dV,为徐变产生的当量荷载增量;=口V,为温度荷载增量,由温度场仿真程
6、序算得;=dV,为自生体积变形产生的当量荷载增量,西=/,+Qc(f,rD.为本构矩阵.考虑材料在受荷后的正交异性损伤特性,有=RTE(D)月(2)式中:R为局部坐标与整体坐标之间的转换矩阵;.(D)为在主坐标系内的损伤本构矩阵,f(十2G)(1一D)(1一D.)(1一D?)(1一D】)(1一D3)1E(D)一J(1一D】)(1一D)(一2G)(1一D2)(1一D2)(1一D3)l(3)【(1Dt)(1一D)(1一D2)(1一D3)(+2G)(1一Ds)这里为拉梅系数,一E(t)/(1+)(12z);G为剪切模量,GE(f)/Z(1+),E()为材料的弹性模量,是时间的函数,为泊松比;D,(=
7、1,2,3,4)为主应力方向的损伤度.由碾压混凝土材料的损伤演化特性,选用Mars损伤演化模型.2算例2.1基本资料沙牌碾压混凝土拱坝是目前世界上在建中最高的碾压混凝土拱坝.拱坝形体设计采用三心圆单曲拱坝.坝顶高程1867.5m,最大坝高132.0m,顶拱中心线弧长250.25m.正常蓄水水位为1866.0m,死水位为1825.0m.工程采用三种碾压混凝土材料:面层二级配混凝土,坝体三级配混凝土和垫座微膨胀混凝土.坝基岩石物理力学参数如表1.表1基岩物理力学参数Tab.1Mechanicsparametersofbasementrocks至里基塞亘堡皇曼塾:!l类185.51735.51350
8、17,5n2027I类J735.51790.0.40&BO.2627美1790.01430.02.70.00.3126v娄183001447.50360.7040262.1.1碾压混凝土材料参数(1)弹性模量弹性模量随混凝土龄期f(d)增长的表达式如下:面层二级配混凝土E(f)一257(1一e44)(4)坝体三级配混凝土E(t)=27.8(1一e-.a7.)(5)垫座微膨胀混凝土E0)一24.7(1一e一2a)(6)(2)抗压,抗拉强度随龄期的变化表达式对面层混凝土,其抗压强度Y和抗拉强度Y,(MPa)公式为一30.989723.22e(7)一0.24(30.989723.22e一)(
9、8)对坝体,垫座混凝土,其和公式为Yp一34.99124.247e一(9)一0.24(34.99124.247e一.)(10)(3)碾压混凝土的徐变度表达式c(r,f)=(+善)1一eriO-r)(11)r徐变度公式取两项.选用优化方法拟合公式中8个参数(变异系数为0.049):】=1.618,gl=114.119,pl=0.458,r】=0.6492=14.512,g2=94.390tp2=0.967t=0.023(4)碾压混凝土材料的自生体积变形随龄期变化对面层二级配混凝土和坝体三级配混凝土,自生体积变形均为()一38.88(1一e.)(12)对垫座微膨胀混凝土,自生体积变形为(f)=85
10、.32(1一e1854e)(13)(5)泊松比,容重和线膨胀系数(如表2)表2材料的泊松比,客重和线膨胀系数Tab.2Materialparameters(Poisonsratio.volumewejghtandlinearexpanfioncoefficient)大连理工大学2.1.2施I计划和蓄水计划详见文献6.2.1.3诱导缝,横缝设计为了解决坝体温度应力问题,设置了2条横缝与2条诱导缝(设计方案见图1).图t2条横缝,2条诱导缝方案Fig1Jointscheme(2transversejointsand2inducejoints)(1)诱导缝力学参数诱导缝使其所在坝体几何截面削减20.
11、据清华大学的研究成果,计人断裂力学效应后,其抗拉强度应削减40.本阶段设定:诱导缝所在单元刚度降低2O,诱导缝所在单元在垂直缝面方向上抗拉强度降低40,抗压强度降低2O;其他方向强度不变.诱导缝断面被削弱后,抗拉强度降低,用代表混凝土本来的抗拉强度,代表受到削弱后诱导缝的抗拉强度(O</_啊/<1),/f.称为诱导缝的等效强度.在结构中设置诱导缝后,其开裂条件即发生变化.在温度荷载作用下,拱坝的最大拉应力出现在拱端和拱冠面上.但诱导缝并不一定设在拱端和拱冠面,在这第41卷种情况下如果拱坝发生裂缝,裂缝的位置取决于应力最大的拱端和拱冠面与等效强度最低的诱导缝缝面的强度比和应力比.令诱
12、导缝断面上的最大拉应力与拱端(或拱冠面)上的最大拉应力的比值为,为了使诱导缝率先开裂,必要条件为>/f.对沙牌碾压混凝土拱坝而言,K约为MPa,设计为2.0MPa,Kc/0.5.沙牌碾压混凝土拱坝的/约为0.5I.所以,开裂条件需满足:0.51sf,=i03MPa.(2)横缝力学参数取值为方便有限元网格处理,灌浆前后使用同一几何模型,仅在力学参数上体现其差别.灌浆前,横缝强度削减1O0,所在单元刚度为0;灌浆后,缝面所在单元的强度及刚度与本体无异.(3)灌浆接缝计划2000年5月坝体开始挡水,混凝土浇筑基本完毕.初估大坝开始接缝灌浆日期为2001年2月初,即时程坐标的第310天左右.2.
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