接觸面彈塑性損傷模型在面板堆石壩應(yīng)力變形分析中的應(yīng)用

基于粗粒土與結(jié)構(gòu)接觸面彈塑性損傷靜動(dòng)力統(tǒng)一模型(稱作epdi模型)建立了可用于有限元分析的彈塑性損傷接觸面單元。對(duì)接觸面試驗(yàn)進(jìn)行了模擬,采用不同的接觸面本構(gòu)模型及參數(shù)對(duì)單調(diào)和循環(huán)荷載作用下的單樁基礎(chǔ)的側(cè)摩阻力和樁頂位移進(jìn)行了有限元分析。結(jié)果表明:包括剪應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系和剪脹特性在內(nèi)的接觸面力學(xué)特性對(duì)樁土相互作用分析有重要影響,需要合理地加以描述?；谠囼?yàn)結(jié)果建立的彈塑性損傷接觸面單元能夠有效地用于土體與結(jié)構(gòu)物相互作用分析,并能夠合理地反映土與結(jié)構(gòu)接觸面的包括體應(yīng)變及其與剪應(yīng)變耦合特性在內(nèi)的接觸面主要靜動(dòng)力學(xué)特性。

采用試驗(yàn)方法研究了不同的擠壓式邊墻表面處理措施對(duì)擠壓式邊墻與面板接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律。針對(duì)擠壓墻表面的不同措施進(jìn)行了大型接觸面剪切試驗(yàn),測(cè)量了接觸面的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,分析了主要影響因素。結(jié)果表明:采用填料可以減小接觸面的峰值剪應(yīng)力,其中乳化瀝青、乳化瀝青與砂聚合物、pe膜的效果接近,瀝青油氈的減小摩擦效果更為顯著。不采用填料或者采用乳化瀝青、乳化瀝青與砂聚合物、瀝青油氈等填料時(shí),接觸面的力學(xué)特性都表現(xiàn)出類似于理想彈塑性的特性,采用pe膜填料的接觸面表現(xiàn)出較明顯的應(yīng)變軟化。clough-duncan模型能較好地模擬接觸面的起始剪切段,但當(dāng)剪應(yīng)力較大并接近峰值時(shí)模型預(yù)測(cè)與試驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)出一定差距。建議了一個(gè)模擬該類接觸面主要力學(xué)特性的修正理想彈塑性模型,其參數(shù)少且易于確定,模型的模擬結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果也較為符合。

用沈珠江建議的雙屈服面模型對(duì)洪家渡面板堆石壩進(jìn)行了三維有限元分析.計(jì)算中考慮到堆石材料的非線性和模擬運(yùn)行過(guò)程,采用了逐級(jí)增量與不平衡力修正迭代相結(jié)合的算法,經(jīng)與中點(diǎn)增量法的結(jié)果對(duì)比,表明該算法是有效的.通過(guò)對(duì)堆石壩體在施工和逐級(jí)蓄水加載過(guò)程中的應(yīng)力和變形分析,探討了壩體中某些特定單元在運(yùn)行過(guò)程中的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài).對(duì)于壩體中部單元,在填筑過(guò)程中,主應(yīng)力軸的偏轉(zhuǎn)程度多在10°以內(nèi);蓄水加載時(shí)偏轉(zhuǎn)程度增加約20%.而對(duì)于壩體上下游單元,主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)則更加明顯.對(duì)τσ3平面、qp平面內(nèi)的一些壩體單元的應(yīng)力路徑比較表明,不論是施工還是蓄水加載,qp平面內(nèi)的加載路徑均較為明確

通過(guò)建立面板堆石壩三維有限元模型,并采用南水模型將整個(gè)加載過(guò)程分為若干個(gè)荷載步,體現(xiàn)了堆石料復(fù)雜變形特性和施工分期填筑逐級(jí)加載的特點(diǎn),同時(shí)采用中點(diǎn)增量法求解,對(duì)兩種計(jì)算工況下的結(jié)果進(jìn)行了整理分析比較,得出了一些有價(jià)值的結(jié)論。

筑壩堆石料具有明顯的非線性、壓硬性、剪脹性和應(yīng)力引起的各向異性,其應(yīng)力變形特性直接影響到面板、接縫的應(yīng)力變形情況.合理的堆石體本構(gòu)模型是保證對(duì)高堆石壩進(jìn)行正確預(yù)測(cè)分析的前提,對(duì)常用的鄧肯e-b模型和南水雙屈服面模型進(jìn)行了對(duì)比性分析,最后在參數(shù)等價(jià)的基礎(chǔ)上利用這兩個(gè)模型對(duì)一座200m級(jí)高面板壩進(jìn)行了有限元分析,對(duì)造成計(jì)算差異的主要原因進(jìn)行了探討,為今后計(jì)算本構(gòu)模型的選用提出了建議.

主要介紹采用二維非線性和三維彈塑性有限元法對(duì)水布埡高砼面板堆石壩進(jìn)行應(yīng)力變形分析研究的成果。研究成果論證了設(shè)計(jì)方案的合理性和可行性。彈塑性模型由于能反映材料在高壓應(yīng)力條件下的剪縮特性，因而其成果更合理些

巖土材料彈塑性損傷模型及變形局部化分析——常規(guī)的彈塑性模型由于沒(méi)有考慮到損傷和塑性的耦合作用，難以模擬破壞時(shí)由于內(nèi)部損傷的累積導(dǎo)致的變形局部化剪切帶的形成過(guò)程，因而，不能很好地反映實(shí)際結(jié)構(gòu)的細(xì)觀破壞機(jī)理。作者采用一種宏細(xì)觀結(jié)合的思路，基于細(xì)觀...

以瑯琊山抽水蓄能電站上水庫(kù)混凝土面板堆石壩為例,運(yùn)用三維非線性有限元法對(duì)壩體施工和庫(kù)水的循環(huán)升降進(jìn)行了詳細(xì)模擬,預(yù)測(cè)了各時(shí)期大壩的應(yīng)力變形,給出了各物理量的變化過(guò)程。結(jié)果表明,壩體和面板應(yīng)力變形均在合理范圍之內(nèi),總體呈周期性變化,沒(méi)有出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。

采用鄧肯-張e-b非線性彈性模型,利用數(shù)值計(jì)算方法,對(duì)某堆石壩在施工和蓄水期的應(yīng)力、變形進(jìn)行了計(jì)算分析,得出了堆石體和面板的最大變形值及其發(fā)生位置。結(jié)果表明:蓄水對(duì)混凝土面板堆石壩的水平位移影響較小;壩體在竣工期和正常蓄水期兩種工況下面板的最大撓度均發(fā)生在上游壩坡和堆石壓重體的交界處,應(yīng)力總體較小,大壩穩(wěn)定性良好。

為研究深覆蓋層上的混凝土面板堆石壩應(yīng)力變形特性,以察汗烏蘇混凝土面板堆石壩為例,對(duì)堆石體采用duncanchange-b本構(gòu)模型,基于ansys軟件使用有限元法對(duì)大壩進(jìn)行模擬分析,得到壩體及混凝土面板在3種工況下的應(yīng)力及位移分布結(jié)果。計(jì)算結(jié)果表明,隨庫(kù)水位增加,壩體大主應(yīng)力逐漸增大而小主應(yīng)力逐漸減??；3種工況下在x向上游壩體發(fā)生逆流向橫向位移且隨庫(kù)水位增加而減小,下游壩體發(fā)生順流向橫向位移且隨庫(kù)水位增加而增大,在y向壩體均只發(fā)生向下的位移變形,隨庫(kù)水位增加變化不大；竣工后面板大主應(yīng)力主要為壓應(yīng)力且隨庫(kù)水位增加而增大；竣工后面板由于發(fā)生橫向變形而出現(xiàn)鼓起脫空現(xiàn)象,隨庫(kù)水位增加至正常蓄水位脫空現(xiàn)象逐漸消失,在y向面板均只發(fā)生向下位移變形且隨庫(kù)水位增加而增大。

九甸峽水利樞紐工程混凝土面板堆石壩是目前國(guó)內(nèi)建在深厚覆蓋層上的最高面板壩,最大壩高133m。壩址區(qū)岸坡陡峭,地形、地質(zhì)條件復(fù)雜,大壩的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)對(duì)工程的安全和運(yùn)行至關(guān)重要。大壩三維有限元數(shù)值分析研究表明,采用在深厚覆蓋層中防滲墻截滲、平趾板柔性連接、覆蓋層加固處理、軟基平趾板的設(shè)計(jì)方案,壩體沉降變形、面板應(yīng)力及變形形態(tài)雖與趾板建于基巖上的混凝土面板壩有所差別,但其變形量及應(yīng)力水平基本適中,通過(guò)采取適當(dāng)?shù)墓こ檀胧?可以保證大壩安全,達(dá)到節(jié)省工程投資、加快工程進(jìn)度的目的。

水布埡工程面板堆石壩是當(dāng)前世界上最高的混凝土面板壩,在設(shè)計(jì)和施工等方面尚缺乏經(jīng)驗(yàn),為此在“九五”攻關(guān)中,對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了科學(xué)研究。在計(jì)算分析方面,采用不同的計(jì)算模型對(duì)200m級(jí)面板壩施工、蓄水全過(guò)程進(jìn)行了仿真計(jì)算,研究其應(yīng)力變形規(guī)律;研究探索了特殊邊界、堆石體流變特性等問(wèn)題,并提出了改善面板壩應(yīng)力、變形的工程措施。在高面板壩三維有限元計(jì)算中引入了堆石體流變特性,初步探討了堆石體流變對(duì)高混凝土面板壩應(yīng)力變形的影響;提出了耦合薄層單元和三維非線性摩擦接觸單元;對(duì)非線性k-g模型進(jìn)行了改進(jìn);采用多種模型對(duì)水布埡工程面板壩進(jìn)行了二維、三維仿真計(jì)算,從技術(shù)上論證了該方案的可行性

水布埡水電站面板堆石壩應(yīng)力變形分析——水乖埡工程面板堆石壩是當(dāng)前世界上最高的混凝土面板壩，在設(shè)計(jì)和施工等方面尚缺乏經(jīng)驗(yàn)，為此在“九五”攻關(guān)中．對(duì)其中的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了科學(xué)研究。在計(jì)算分析方面，采用不同的計(jì)算模型對(duì)200m圾面板壩施工、蓄水全過(guò)...

采用三維有限元法對(duì)觀音巖面板堆石壩完建期(竣工期)和蓄水期的應(yīng)力變形進(jìn)行模擬計(jì)算,分析了不同時(shí)期壩體及面板的應(yīng)力變形情況。計(jì)算結(jié)果表明,大壩應(yīng)力變形滿足安全要求

面板壩壩體的沉降和變形影響著混凝土面板的應(yīng)力和變形,進(jìn)而影響壩體的安全,高面板壩更是如此。通過(guò)對(duì)水布埡面板堆石壩在二期面板澆注前的壩體實(shí)測(cè)沉降結(jié)果與計(jì)算預(yù)測(cè)結(jié)果以及其它已建高面板壩觀測(cè)結(jié)果比較,得到了高面板堆石壩施工期壩體沉降變形的一般規(guī)律。本結(jié)論對(duì)高面板堆石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有參考作用,同時(shí)也證明了水布埡面板壩設(shè)計(jì)理念和施工方法的合理性。

在建的清江水布埡面板堆石壩高達(dá)233m,是目前同類壩型中最高的。采用msc.marc非線性有限元程序,發(fā)展了三維子模型法,對(duì)該壩進(jìn)行了三維彈塑性有限元仿真分析,模擬了面板的分縫、壩體材料分區(qū)、填筑及蓄水過(guò)程,采用雙屈服面彈塑性模型模擬堆石體的變形特征。根據(jù)數(shù)值分析的結(jié)果,對(duì)壩體和面板的應(yīng)力變形分布規(guī)律進(jìn)行了探討。

本文用鄧肯-張(duncan-chang)模型和雙屈服面彈塑性模型對(duì)國(guó)內(nèi)一座180m高的面板壩進(jìn)行了三維空間有限元非線性分析和彈塑性分析。結(jié)果表明,鄧肯模型不能反應(yīng)堆石體的剪縮特性,計(jì)算的面板應(yīng)力較大,下游坡變形方向與實(shí)測(cè)不符,而彈塑性模型的結(jié)果比較符合已有的經(jīng)驗(yàn)。

發(fā)展能夠合理評(píng)價(jià)面板堆石壩在施工期、蓄水期與地震期應(yīng)力與變形的數(shù)值分析方法對(duì)于面板堆石壩的設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有重要的意義。本文開(kāi)發(fā)了三維彈塑性有限元分析程序,根據(jù)紫坪鋪筑壩堆石料單調(diào)和循環(huán)荷載大型三軸試驗(yàn)確定堆石料的廣義塑性模型參數(shù),對(duì)紫坪鋪面板堆石壩的施工、蓄水過(guò)程及汶川地震震害進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與實(shí)際施工監(jiān)測(cè)和震害調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果表明:數(shù)值計(jì)算得到的大壩在施工期、地震期的變形,地震后面板應(yīng)力分布及施工縫錯(cuò)臺(tái)均與實(shí)測(cè)結(jié)果規(guī)律一致。表明采用考慮壓力相關(guān)性的堆石料廣義塑性模型進(jìn)行面板堆石壩的施工期、蓄水期與地震期的全過(guò)程模擬是可行的。

積石峽面板堆石壩應(yīng)力變形非線性有限元分析——基于鄧肯e—b材料本構(gòu)模型，本文建立了積石峽混凝土面板堆石壩的有限元計(jì)算模型，并運(yùn)用中點(diǎn)增量法，進(jìn)行了施工期和蓄水期的應(yīng)力變形非線性有限元分析，獲得了不同時(shí)期壩體、面板應(yīng)力變形的分布與變化規(guī)律。通過(guò)有...

常規(guī)的彈塑性模型由于沒(méi)有考慮到損傷對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,常常得到高于結(jié)構(gòu)實(shí)際承載力的應(yīng)力分布,難以模擬破壞時(shí)由于內(nèi)部損傷的累積導(dǎo)致的變形增加和承載力降低.將規(guī)范應(yīng)力應(yīng)變曲線進(jìn)行簡(jiǎn)化,推導(dǎo)出彈塑性損傷模型曲線,采用簡(jiǎn)支純彎梁驗(yàn)證了該簡(jiǎn)化模型的正確性,然后將該模型應(yīng)用于深溪溝水電站預(yù)應(yīng)力閘墩非線性有限元分析.計(jì)算結(jié)果表明考慮結(jié)構(gòu)彈塑性損傷較線彈性分析能更好反應(yīng)結(jié)構(gòu)真實(shí)受力特性,計(jì)算結(jié)果對(duì)預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置和閘墩的設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義.

面板堆石壩施工期壩體沉降變形預(yù)測(cè)模型研究——總結(jié)分析了各種統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型的原理和優(yōu)缺點(diǎn)，基于堆石體沉降變形機(jī)理，提出了一種針對(duì)壩頂及壩體表面測(cè)點(diǎn)的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)模型。采用數(shù)學(xué)優(yōu)化通用軟件lstopt計(jì)算模型的統(tǒng)計(jì)參數(shù)并與筆者基于matlab、vb等編寫(xiě)的程序計(jì)算結(jié)...

采用非線性有限元分析方法,對(duì)福建街面水電站面板堆石壩壩體及面板在施工期和蓄水期的應(yīng)力變形特性進(jìn)行了分析、研究,給出了壩體及面板各部分的應(yīng)力、位移分布,其計(jì)算分析結(jié)果除可以為街面工程的設(shè)計(jì)、施工提供依據(jù)外,對(duì)其他類似工程也具有一定的參考價(jià)值。