高碾壓混凝土拱壩地震破壞機理模型試驗研究.pdf

1、隨著我國水利事業(yè)的蓬勃發(fā)展，一大批拱壩已經(jīng)或正在建設(shè)，拱壩的抗震安全顯得尤為重要。強震作用下，高碾壓混凝土拱壩的破壞機理極其復(fù)雜，影響因素眾多。盡管目前數(shù)值模擬成為研究高壩強震破壞機理的主要途徑，但是動力模型試驗仍不失為一種重要方法，且我國《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(NB35047-2015)規(guī)定當設(shè)計烈度為Ⅷ度及以上且高度超過150m的甲類工程大壩，宜進行動力模型試驗。高壩動力模型試驗的仿真材料、模型技術(shù)以及測試方法等仍不夠完

2、善，尤其是在強震作用下拱壩結(jié)構(gòu)縫的非線性行為、水平薄弱層的影響、大壩-庫水相互作用等方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)。本文為了探究拱壩強震下結(jié)構(gòu)縫、水平薄弱層以及壩庫相互作用，進行了一系列的試驗研究，具體包括模型材料試驗研究、損傷監(jiān)測技術(shù)方法研究、振動臺破壞試驗以及數(shù)值仿真等。主要研究內(nèi)容如下:
　　(1)研制了一種具有高密度、低彈模、低抗拉強度且脆性良好的高壩模型材料。針對不同應(yīng)變速率下模型材料單軸拉伸與壓縮本構(gòu)關(guān)系進行了一系列試驗研究，得

3、到了模型材料在動力作用下的應(yīng)力-應(yīng)變曲線方程，以及極限強度、峰值應(yīng)力處應(yīng)變、彈性模量、泊松比和吸能能力與應(yīng)變速率的關(guān)系，且與原型材料的率相關(guān)性進行對比，為高壩動力模型試驗再現(xiàn)原型拱壩的破壞機理提供材料依據(jù)，并為數(shù)值研究提供材料參數(shù)。
　　(2)發(fā)展了一種高拱壩動力模型試驗的損傷監(jiān)測方法，用以實現(xiàn)對高壩模型動態(tài)應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測。模型試驗前先利用正壓電效應(yīng)在不同加載速率下進行了傳感器標定試驗;采用均方根指數(shù)定義損傷指數(shù)，通過預(yù)試

4、驗來驗證損傷監(jiān)測方法的有效性。在此基礎(chǔ)上，把分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入高壩模型內(nèi)部，構(gòu)造路徑-時程損傷指數(shù)矩陣來表征模型的損傷位置和損傷過程，通過模型試驗驗證了此方法的可行性。此方法與傳統(tǒng)高壩模型測試方法互相補充，提高拱壩動力模型試驗測試精度，揭示模型損傷破壞規(guī)律。
　　(3)在模型材料研究與損傷監(jiān)測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上，通過高壩動力模型破壞試驗，分步驟地研究結(jié)構(gòu)縫以及水平薄弱層對拱壩地震破壞機理以及失效模式的影響。模型的建立基于彈性力-重

5、力相似準則，相似關(guān)系設(shè)計時考慮了原模型材料力學(xué)特性率敏感性。模型橫縫模擬考慮鍵槽影響，誘導(dǎo)縫模擬基于斷裂力學(xué)理論，同時進行含薄弱層的模型材料動態(tài)劈拉試驗。結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)縫能夠在地震中釋放壩體內(nèi)部應(yīng)力，提高拱壩整體超載能力;薄弱層的存在沒有顯著降低壩體整體超載能力，主要影響為拱向約束減弱后，梁向位置進入懸臂梁加載模式后的失效模式。試驗成果豐富了高拱壩動力模型試驗的研究內(nèi)容，為優(yōu)化拱壩抗震設(shè)計、評估拱壩抗震安全提供科學(xué)依據(jù)。
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6、)以天然水模擬庫水，利用拱壩動力模型試驗方法研究了庫水作用下拱壩動力響應(yīng)與失效模式。將試驗結(jié)果與不考慮庫水影響的試驗進行對比，發(fā)現(xiàn)庫水使拱壩處于預(yù)壓狀態(tài)，充分發(fā)揮拱壩耐壓的受力特點，較之空庫狀態(tài)更有利于壩體安全。考慮到相似關(guān)系要求和實際條件，通過數(shù)值分析方法研究了模型庫水密度對試驗結(jié)果的影響。數(shù)值模型壩體的非線性本構(gòu)選用混凝土損傷力學(xué)模型，材料參數(shù)通過力學(xué)性能試驗獲得，結(jié)構(gòu)縫的模擬采用內(nèi)聚力單元，通過空庫試驗結(jié)果校核數(shù)值模型。數(shù)值結(jié)果表