基于模糊随机损伤力学的混凝土高坝抗震安全评价研究

针对目前全球已进入地震活跃期、而我国许多大型水利枢纽都处于地震带、震害诱发的安全问题日益突出，项目以典型混凝土高坝为研究对象，基于光纤应变量测与振动台全景模型试验，并结合CT工作站动态扫描与多维图像重建，获取高坝结构在震害作用下的动力裂纹扩展特点及分布规律；以随机理论、模糊数学、非线性损伤力学为支撑，研究震害影响下高坝结构的各向异性损伤裂变概率密度演化；通过分析高坝结构的非线性模糊随机动力损伤劣变过程，完成模糊随机损伤势函数推导，建立非确定本质的广义动力损伤力学数值模型及模糊随机动力损伤可靠度算法。项目预期将揭示混凝土高坝震害作用下细观劣变与宏观可靠性之间的数学物理关系，实现对高坝结构震害影响下力学特性的广义损伤可靠度研究，形成相应的抗震安全评价方法。项目研究成果对于实现混凝土高坝结构安全性能定量化研究有重要意义，可以为高坝抗震设计和安全评价及管理提供科学依据。

高坝抗震是我国能源战略安全体系中的重要一环，各类加载及工作环境下的混凝土筑坝材料及基岩的裂变、损伤是影响高坝抗震安全的首要因素。本课题针对其中材料的模糊随机多尺度裂纹发育机理及由此引发的高坝模糊随机广义可靠度问题进行深入研究。首先在实验室内制作了全真1级配筑坝混凝土材料试件，且从实地钻取了坝址基岩样本，完成了宏观多轴加载和微观、细观电镜及CT扫描物理力学实验；通过分析微观、细观尺度下的材料样本CT数量级和分布，确定了多尺度下的损伤变量计算模型；获得了系统化的材料应力应变全过程曲线；基于此在数值拟合基础上建立了材料应力应变本构模型，在应变等效假定基础上推导了常规损伤力学发展方程，并通过构建模糊损伤度指标、对结构及材料物理力学场内损伤发育做数值统计分析，建立了混凝土及岩石类介质的静力学模糊随机损伤本构模型；通过分析结构的振型特征，提出了模糊随机损伤阻尼方程的概念化模型，通过模拟主动力损伤列阵建立了模糊随机动力损伤本构关系矩阵，给出了系统化的模糊随机动力损伤本构模型参数；基于岩石类介质的渗透压力劈裂效应，提出了渗压劈裂模糊随机损伤模型；基于Weibull分布假定推导了混凝土材料的损伤演化方程，提出了温度损伤耦合下的模糊随机损伤可靠度模型；基于上述模型，对典型高坝结构做地震、温度荷载、渗透等多物理力学场耦合模糊随机损伤可靠度及敏感性仿真研究，对比传统的物理力学场计算结果发现：本课题的研究方法更为全面直接，可就地震、温度、渗透等灾害及不利环境下材料及结构的运行状态及可靠度作量化分析与计算，同时，拓展的多场模糊随机损伤力学研究思路对实现大型水工结构复杂工作环境下的可靠度精细化研究具有重要启发；截止目前已发表相关文章20篇，并就岩土工程广义非确定问题出版专著一部。