坝体动力非线性反应分析

在强震作用下,坝体混凝土材料很可能会受到损伤,甚至开裂;坝体的结构缝,由于强度较弱可能在地震过程中张开、滑动,尤其对于拱坝的横缝张开、错动将导致坝体应力的重新分配,从而显示强烈的非线性反应特征。下面将对这两个方面的研究工作现状分别予以叙述。

(1)坝体混凝土开裂的非线性分析。在强震作用下,线弹性地震响应分析得到的坝体拉应力通常会超过混凝土材料的抗拉强度,从而使坝体产生裂缝,一些小比尺的混凝土坝动力模型试验也验证了这种损伤现象的存在。所以,坝体混凝土的非线性分析随着坝的增高和设计地震加速度的增大,变得愈来愈重要。对于坝体裂缝的扩展和稳定安全的判定,传统的做法是采取允许拉应力的强度准则。实际上,由于裂缝尖端应力的奇异性,强度准则不能反映实际裂缝的扩展过程。当进行有限元法分析仍采用强度准则时,坝踵应力与网格大小有关,无法客观地判断裂缝的产生和扩展,而混凝土断裂力学的发展为解决这一问题开辟了一条新的途径。

断裂力学应用于混凝土裂缝计算可分为线弹性断裂力学与非线性断裂力学两大类。线弹性断裂模型以应力强度因子和断裂韧度等参数作为裂缝稳定性的判据,Feng和Pekau等人就曾按线弹性断裂理论应用边界元法分析了Kolnbrein拱坝的开裂实例。混凝土非线性断裂模型又可分为虚拟裂缝模型(hillerborg,1976)和裂缝带模型(bazant,1979),两者均考虑了混凝土的软化特性。前者裂缝的扩展是通过网格节点分离来实现的,故随着缝面的扩展,计算域需要进行网格重新划分。而后者(裂缝带模型)对混凝土的开裂判别,则以断裂能为准则,根据单元网格尺寸调整软化段曲线以保持断裂能不变,这一方法消除了单元网格对裂缝产生和扩展的影响。在早期混凝土坝非线性分析中,一般采用由Bazant和Oh(1983)提出的固定弥散缝模型,但固定弥散缝模型存在一些缺陷,如剪切保留系数的任意性等。为了克服这些缺欠,随后又相继发展了旋转缝模型(Bhattacharjee,1993)、正交异性损伤模型(Ghrib,1995)、各向异性损伤模型等。由于上述各模型仅仅运用了单独的连续损伤力学,因而很难模拟循环加载和卸载状态,因为它不能反映非弹性应变。于是,又产生了将经典的损伤模型与塑性模型相结合来克服上述困难的思路,即所谓的塑性-损伤模型。除了非弹性应变外,塑性-损伤方法还能提供一个完善的破坏面的演化以及与其他非弹性现象的结合。在众多塑性-损伤模型中,由Lee和Fenves发展的塑性-损伤模型,对分析循环加载条件下混凝土结构的响应十分简单有效,并且应用这个模型分析了Koyna坝的地震非线性响应。(www.xing528.com)

(2)拱坝横缝张合效应的非线性分析。高拱坝横缝张合效应非线性问题研究首先是由R.W.Clough(1980)提出的,1982年Niwa和Clough还在拱坝振动台模型试验中对此张合现象进行了验证。目前对拱坝横缝的模拟主要有两大类方法:一类是采取接缝单元的方法;另一类是采用动接触模型。在采用接缝单元进行研究方面,David等人采用二维的两节点非线性弹簧单元研究了拱坝非线性地震响应,该方法不仅可用于模拟拱坝的横缝,也可模拟水平切缝及周边切缝。Ahmadi考虑拱坝横缝键槽的构造,提出了一种可用于模拟拱坝横缝的离散裂缝模型。Fenves在借鉴Goodman(1968)等人研究成果的基础上,采用三维的接触单元对拱坝进行三维非线性动力分析,取得了较好的成果。随后,中国水科院陈厚群(1995)等人应用Fenves的模型对实际拱坝进行了分析,并在此基础上对该模型中不考虑缝间剪切滑移的局限性作了改进,而且完成了一个实际拱坝工程考虑横缝张合效应的动力模型试验。鉴于Fenves提出的横缝模型简单易行,以此为基础,清华大学张楚汉、徐艳杰(2000)等人又对拱坝横缝配筋机理进行了研究,提出了由强度和刚度控制的拱坝横缝配筋模型。对于动接触模型研究方面,涂劲、陈厚群、杜修力等人采用刘晶波(1995)提出的动接触力方法模拟拱坝横缝在地震过程中的张合效应,已取得了一些有意义的成果。应当说目前所提出的模拟横缝的计算方法已不少,但各有所长,也各有不足之处,仍需进一步研究开发精度更高、稳定性更好的模型和算法。