高拱坝强震破损机理的仿真研究

中国西部在建或拟建的200-300m级高拱坝具有坝高、库大、地震设防烈度高的特点，其地震安全性能是中国高坝建设面临的巨大挑战。由于强烈地震可能导致坝体局部区域混凝土出现损伤开裂，而裂缝的持续扩展将直接威胁拱坝的整体稳定与安全，因此急需开展高拱坝强震破损机理研究。本项目拟开发适用于高拱坝动力分析的混凝土损伤本构模型，同时基于少筋混凝土构件试验改进抗震钢筋的本构模型，然后建立高拱坝强震破损分析的非线性仿真平台。通过仿真计算，本项目将考察裂缝闭合行为、混凝土率效应、抗震钢筋布置、地基辐射阻尼等因素对坝体开裂破损行为的影响，系统地研究高拱坝动力破损机理以及抗震钢筋的加固效能，为科学评估高拱坝安全性能、完善其抗震设计理论提供有益的建议。

本项目针对超强地震作用下高拱坝动力安全性能问题，开展了混凝土损伤模型、少筋混凝土构件试验和拱坝动力仿真分析平台三项研究，然后采用数值仿真方法分析了高拱坝的地震动力破损机制。项目完成的主要研究内容有：.（1）开发了基于能量耗散机制的混凝土损伤模型，通过引入相互独立的拉、压损伤演化规律分别描述受拉开裂和受压破碎导致的混凝土刚度退化现象，采用非线性卸载-线性重加载路径模拟滞回行为，同时引入多轴屈服函数描述复杂应力状态下的混凝土非线性损伤行为。.（2）开展了少筋混凝土构件破坏机制的试验研究。项目组选定截面尺寸和配筋率为研究参数，设计了少筋混凝土试验方案，完成了12根构件的加载试验，获得了少筋混凝土构件的荷载-变形曲线、裂缝扩展形态和破坏模式。.（3）建立了高拱坝仿真分析平台。项目组采用标量损伤模型，分析了超强地震作用下高拱坝的力学行为与破损机制，同时应用钢筋刚化模型，模拟了采用坝面梁向配筋加固方案的高拱坝的地震动力响应，分析了该项加固措施的抗震效果。.通过研究，项目组得到了以下主要成果：.（1）项目组应用开发的损伤模型成功地模拟了混凝土试验，计算结果与试验曲线相互接近，表明该模型能够较好地反映混凝土在多轴应力状态和低周往复加载下的损伤行为，同时以累积耗散能量和断裂能定义损伤因子、以非线性卸载-线性重加载路径模拟滞回行为、以有效应力屈服函数引入多轴应力状态影响建立损伤模型的方法是可行的。.（2）项目完成的钢筋混凝土构件试验表明，少筋混凝土存在弯压破坏、剪压破坏和斜拉破坏三种模式。同时，引入脆性数指标，可以较好地反映钢筋混凝土构件的延性，判断构件发生延性或脆性破坏的可能性。此外，临界脆性数指标作为区分脆性破坏和延性破坏的特征指标，可以用于确定受弯构件的最小配筋率。.（3）超强地震可导致拱坝中上部和坝基交界面区域发生损伤开裂；坝基交界面裂缝由上游坝踵向下游坝趾扩展，且裂缝张开位移幅值大，严重威胁拱坝整体稳定；坝体中上部的混凝土裂缝分布范围广，由下游坝面向上游扩展，裂缝张开位移幅值较上游坝踵较小，但对拱坝整体稳定仍有较大威胁；温度荷载对拱坝非线性动力响应有显著影响；梁向配筋可以降低强震作用下拱坝动力响应，减小裂缝张开位移，限制裂缝扩展范围，有助于提高拱坝抗震安全性能，但有必要进一步优化设计。