小灣拱壩地震響應(yīng)非線性有限元分析.pdf

1、在我國(guó)西部進(jìn)行水電能源開發(fā)，對(duì)多地震國(guó)家的強(qiáng)震區(qū)來說，高壩抗震安全問題是目前我國(guó)水電科技工作者必須面對(duì)的一個(gè)嚴(yán)重挑戰(zhàn)，也是確保工程順利與運(yùn)行安全的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)課題。按照抗震設(shè)計(jì)的兩階段設(shè)計(jì)思想，罕遇地震下拱壩結(jié)構(gòu)將表現(xiàn)出強(qiáng)非線性響應(yīng)和損傷漸進(jìn)累積發(fā)展的特征，其精細(xì)化分析屬于學(xué)科前沿課題。拱壩橫縫非線性和壩體材料非線性及其耦合作用被認(rèn)為是影響強(qiáng)震作用下拱壩響應(yīng)的重要因素，相關(guān)課題的研究具有重要的理論意義和實(shí)用價(jià)值。 （1）介紹了

2、損傷力學(xué)基本知識(shí)：兩大問題、三大假定（原理）以及在熱力學(xué)框架中幾個(gè)損傷力學(xué)概念，詳細(xì)總結(jié)了損傷演化問題，以及混凝土損傷力學(xué)的特點(diǎn)和混凝土損傷模型。介紹了ABAQUS中的損傷塑性本構(gòu)，該本構(gòu)采用各向同性彈性損傷結(jié)合各向同性拉伸和壓縮塑性理論來研究混凝土的非彈性特性。同時(shí)本文提出了以D-P為屈服準(zhǔn)則，以D-P型函數(shù)為勢(shì)函數(shù)的損傷本構(gòu)，其中損傷變量的演化公式采用Mazars提出的。 （2）介紹應(yīng)力更新算法：顯示Euler積分算法和完全

3、隱式Euler返回算法。介紹了基于本構(gòu)積分算法的系統(tǒng)線性化的算法模量，給出了完全隱式向后Euler圖形返回算法的框圖。推導(dǎo)了基于D-P準(zhǔn)則的返回算法和算法模量，并給出了算法框圖。給出了應(yīng)力更新的基本步驟，以流程圖的形式給出了應(yīng)力更新的過程。介紹了ABAQUS軟件提供的UMAT子程序，采用Fortran語言編寫了基于D-P準(zhǔn)則損傷本構(gòu)的接口程序，同時(shí)指出程序設(shè)計(jì)的有關(guān)注意事項(xiàng)，最后通過一個(gè)例子驗(yàn)證了本程序的精度。 （3）以小灣拱壩

4、為例，建立其三維有限元模型，考慮兩種典型工況下不同本構(gòu)對(duì)拱壩地震響應(yīng)的影響。首先由規(guī)范給出的混凝土單軸受壓受拉應(yīng)力應(yīng)變曲線，得出單軸壓縮硬化曲線、單軸拉伸軟化曲線，然后根據(jù)能量等效假設(shè)，推導(dǎo)受壓受拉的損傷變量的公式，作為ABAQUS中混凝土損傷塑性本構(gòu)的參數(shù)輸入。接著在ABAQUS編寫了考慮動(dòng)水壓力影響的附加質(zhì)量單元程序，對(duì)小灣拱壩的動(dòng)力特性進(jìn)行了計(jì)算分析。然后用線彈性本構(gòu)、D-P本構(gòu)、ABAQUS中的損傷塑性本構(gòu)、基于D-P準(zhǔn)則損傷本

5、構(gòu)對(duì)小灣拱壩進(jìn)行了動(dòng)力分析，結(jié)果表明，在正常蓄水位下，線彈性本構(gòu)下的拉應(yīng)力比兩種損傷本構(gòu)的拉應(yīng)力大，壓應(yīng)力相差不大；D-P本構(gòu)下的拉應(yīng)力也比兩種損傷本構(gòu)的拉應(yīng)力大；兩種損傷本構(gòu)的順河向位移峰值最大，并且兩種損傷本構(gòu)計(jì)算出來的位移響應(yīng)最大值有滯后現(xiàn)象；在常遇低水位下，四種本構(gòu)計(jì)算的應(yīng)力、位移值都相差不大。 （4）描述了ABAQUS/Standard中的接觸分析及其參數(shù)設(shè)置、接觸算法，然后采用基于表面的接觸模擬拱壩橫縫?？紤]壩體分縫

6、、水位改變以及壩體材料非線性對(duì)拱壩進(jìn)行地震響應(yīng)分析。結(jié)果表明，①每條縫的最大開度都不是出現(xiàn)在中縫，而是出現(xiàn)在左右兩側(cè)縫上；②至少模擬3條分布較為均勻的橫縫就可以大體反映拱壩實(shí)際應(yīng)力狀況；③當(dāng)考慮橫縫張開效應(yīng)后，拱向應(yīng)力明顯減小，梁向應(yīng)力增加，上下游面的主應(yīng)力減?。虎軐?duì)于考慮橫縫張開效應(yīng)的拱壩，如果從壩體應(yīng)力的角度考慮，高水位是控制工況；如果從控制橫縫開度的角度而言，低水位是控制工況；⑤考慮橫縫后，壩體損傷值會(huì)增大。 （5）文章最