基于老化损伤模型的在役混凝土坝动力破坏机理研究

目前，我国混凝土坝的老化问题日益突出，老化引起坝体材料性能和结构性能的降低，对大坝的安全运行带来巨大隐患，加之近年来全球地震灾害的频繁发生，老化混凝土坝的抗震安全值得探讨研究，但当前尚无科学合理的评价方法。碳化是导致混凝土老化的一个重要原因，本课题从材料碳化角度出发，研究地震作用下在役混凝土坝的破坏机理。通过室内快速碳化试验，研究老化混凝土的动态力性能和断裂特性；通过引入表征老化材料的强度变化和干缩裂缝的损伤变量，基于能量原理推导老化混凝土动力损伤演化方程，建立老化混凝土的动力损伤模型，利用该模型模拟大坝抗震薄弱部位的损伤发展和渐进破坏过程，从而揭示在役混凝土坝在地震作用下的破坏机理。以此为基础，对设计地震下大坝服役寿命进行预测。本研究不仅完善了我国混凝土坝安全评价体系，同时也为大坝病变模拟与机理研究、使用寿命评估理论提供了一种新的方法。

为了研究地震作用下在役混凝土坝的破坏机理，本课题从老化混凝土的材料试验、本构关系方面开展了研究工作，主要工作内容如下：（1）通过室内加速碳化试验，得到了单一碳化条件下的老化混凝土试件。研究了不同碳化程度对混凝土力学性能的影响，根据试验结果拟合得到了老化混凝土的受压应力-应变全过程曲线。通过三点弯曲梁试验，研究了碳化对混凝土断裂韧度的影响，试验结果表明：碳化后混凝土的断裂韧度提高，断裂韧度随碳化深度的增加而增加；利用压汞法研究了混凝土碳化前后的孔结构变化情况。这些研究工作为老化混凝土动态本构关系的建立提供了基础。（2）通过对长龄期混凝土芯样的试验研究，得到了自然环境下混凝土抗压强度随碳化深度变化的规律，然后对试验数据进行拟合，获得了表征混凝土材料性能随时间变化的衰减函数。（3）根据地震作用下混凝土应变速率的特点，在不同应变速率下，对老化混凝土进行了抗拉抗压试验，研究了应变速率对老化混凝土力学性能的影响；根据试验结果，给出了老化混凝土动态强度与应变速率对数之间的关系式。最后，结合老化混凝土的静动态试验数据，得到了不同应变率下老化混凝土应力-应变全过程曲线。（4）基于老化混凝土的动态应力-应变关系曲线和衰减函数，通过对已有黏塑性损伤模型进行修正，建立了混凝土的老化损伤模型。利用该模型计算了在役混凝土坝的地震响应，通过对坝体损伤场的分析，揭示了地震作用下在役混凝土坝的破坏机理，该模型也可用于混凝土坝服役寿命的预测。