考虑材料及接触双重非线性的高拱坝极限抗震能力研究

Large quantities of high arch dams have been constructed and have worked in the high seismic southwest of China. The seismic safety of arch dams is of great importance. The research of affecting factors about ultimate aseismic capacity is not comprehensive. Affected by strong earthquake, the influence of cracks in the middle and upper part of dam on the body and dam abutment stability is not negligible. The method of theoretical analysis and numerical simulation is applied in this project. Based on four-parameter failure criteria in the strain space, the multi-axis four-parameter equivalent strain of concrete dynamic damage model will be established to study the cracking of high arch dam; the crack parameters sensitivity analysis and IBE/PFE will be used to study the influence of contact nonlinearity of cracks, joints and structural surface of abutment rock on the dynamic response of dam body, arch abutment thrust and safety factor. Considering dual nonlinearity of material and contact, material-contact nonlinear model will be built to analyze the dynamic characteristics of high arch dams during earthquakes, and all of material nonlinearity, contact nonlinearity, dam-reservoir dynamic interaction, infinite foundation radiation damping effect are in view to discuss ultimate aseismic capacity of high arch dams during the different earthquake levels. It is quite significant to seismic safety evaluation of high arch dams through this project, and a new idea for ultimate aseismic capacity analysis of arch dam is provided.

一大批高拱坝已在我国地震活跃的西南部地区建设、运行，高拱坝抗震安全至关重要。目前对高拱坝极限抗震能力影响因素研究还不够全面，强震作用下坝体中上部区域产生的裂缝对坝体、坝肩稳定的影响是不可忽略的。本项目采用理论分析和数值模拟方法，以应变空间四参数破坏准则为基础，建立基于多轴四参数等效应变的混凝土动力损伤模型，研究高拱坝坝体开裂情况；结合裂缝参数敏感性分析和分区有限元与块体界面元(IBE/PFE)法，研究裂缝、横缝、坝肩岩体结构面接触非线性对坝体动力响应、坝肩拱端推力和安全系数影响；考虑材料及接触双重非线性，建立材料-接触非线性模型，对高拱坝进行地震动力分析，综合考虑材料非线性、接触非线性、坝体-库水动力相互作用、无限地基辐射阻尼效应等因素的影响，探讨不同强震等级下高拱坝极限抗震能力。本项目研究对高拱坝抗震安全评价具有重要意义，为高拱坝极限抗震能力研究提供新的思路。

一大批高拱坝已在我国地震活跃的西南部地区建设、运行。受地震作用影响，高拱坝坝体中上部会产生高拉应力区，导致坝面可能发生破坏性裂缝。当坝体裂缝、横缝同时出现非线性时，对坝体产生的影响是不容小觑的。本项目通过从材料非线性和接触非线性两方面入手，采用理论分析和数值模拟方法，建立了基于多轴四参数等效应变的混凝土动力损伤模型，并进行了高拱坝动损伤分析及计算，并以大岗山拱坝为例，研究了其极限抗震能力。项目主要研究工作包括：（1）基于多轴四参数等效应变的混凝土动力损伤模型研究。本项目考虑了混凝土的残余变形影响、损伤引起的刚度退化效应以及混凝土拉压性能差异，建立了单轴循环往复荷载下混凝土损伤模型，通过应变空间上的四参数等效应变将单轴循环往复荷载下混凝土损伤模型推广到多轴，进而建立了基于多轴四参数等效应变的混凝土动力损伤模型。（2）高拱坝材料-接触非线性模型研究。运用分区有限元与块体界面元法（IBE/PFE）分析了横缝、裂缝对坝体的影响及对坝肩岩体结构面接触非线性的影响，结合该损伤模型，建立了高拱坝材料-接触非线性模型。（3）高拱坝极限抗震能力研究。考虑了坝体横缝、裂缝、坝肩岩体结构面接触非线性，坝体材料非线性，坝体-库水动力相互作用、无限地基辐射阻尼效应等因素的影响，通过数值仿真计算研究了高拱坝在不同强震等级作用下的极限抗震能力。项目开展的基于材料、接触非线性的高拱坝极限抗震能力的研究具有重要的理论意义和工程应用价值，研究成果可广泛应用于高拱坝抗震安全评价，为高拱坝的建设和安全评价提供科学依据。本项目发表标注基金资助的学术论文7篇，其中SCI/EI检索论文3篇；协助培养硕士研究生4名；授权发明专利1项。各项研究指标均达到原申请书之规定。