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。對接觸面試驗進(jìn)行了模擬,采用不同的接觸面本構(gòu)模型及參數(shù)對單調(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)特性對樁土相互作用分析有重要影響,需要合理地加以描述?；谠囼灲Y(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)的接觸面主要靜動力學(xué)特性。

采用試驗方法研究了不同的擠壓式邊墻表面處理措施對擠壓式邊墻與面板接觸面力學(xué)特性的影響規(guī)律。針對擠壓墻表面的不同措施進(jìn)行了大型接觸面剪切試驗,測量了接觸面的應(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,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模型預(yù)測與試驗結(jié)果表現(xiàn)出一定差距。建議了一個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)果與試驗結(jié)果也較為符合。

用沈珠江建議的雙屈服面模型對洪家渡面板堆石壩進(jìn)行了三維有限元分析.計算中考慮到堆石材料的非線性和模擬運(yùn)行過程,采用了逐級增量與不平衡力修正迭代相結(jié)合的算法,經(jīng)與中點增量法的結(jié)果對比,表明該算法是有效的.通過對堆石壩體在施工和逐級蓄水加載過程中的應(yīng)力和變形分析,探討了壩體中某些特定單元在運(yùn)行過程中的主應(yīng)力軸旋轉(zhuǎn)狀態(tài).對于壩體中部單元,在填筑過程中,主應(yīng)力軸的偏轉(zhuǎn)程度多在10°以內(nèi);蓄水加載時偏轉(zhuǎn)程度增加約20%.而對于壩體上下游單元,主應(yīng)力軸偏轉(zhuǎn)則更加明顯.對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

通過建立面板堆石壩三維有限元模型,并采用南水模型將整個加載過程分為若干個荷載步,體現(xiàn)了堆石料復(fù)雜變形特性和施工分期填筑逐級加載的特點,同時采用中點增量法求解,對兩種計算工況下的結(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)模型是保證對高堆石壩進(jìn)行正確預(yù)測分析的前提,對常用的鄧肯e-b模型和南水雙屈服面模型進(jìn)行了對比性分析,最后在參數(shù)等價的基礎(chǔ)上利用這兩個模型對一座200m級高面板壩進(jìn)行了有限元分析,對造成計算差異的主要原因進(jìn)行了探討,為今后計算本構(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有考慮到損傷和塑性的耦合作用，難以模擬破壞時由于內(nèi)部損傷的累積導(dǎo)致的變形局部化剪切帶的形成過程，因而，不能很好地反映實際結(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混凝土面板堆石壩為例,運(yùn)用三維非線性有限元法對壩體施工和庫水的循環(huán)升降進(jìn)行了詳細(xì)模擬,預(yù)測了各時期大壩的應(yīng)力變形,給出了各物理量的變化過程。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)值計算方法,對某堆石壩在施工和蓄水期的應(yīng)力、變形進(jìn)行了計算分析,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,對堆石體采用duncanchange-b本構(gòu)模型,基于ansys軟件使用有限元法對大壩進(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。計算結(jié)果表明,隨庫水位增加,壩體大主應(yīng)力逐漸增大而小主應(yīng)力逐漸減小；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水位增加而減小,下游壩體發(fā)生順流向橫向位移且隨庫水位增加而增大,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)計和施工等方面尚缺乏經(jīng)驗,為此在“九五”攻關(guān)中,對其中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了科學(xué)研究。在計算分析方面,采用不同的計算模型對200m級面板壩施工、蓄水全過程進(jìn)行了仿真計算,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算中引入了堆石體流變特性,初步探討了堆石體流變對高混凝土面板壩應(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;對非線性k-g模型進(jìn)行了改進(jìn);采用多種模型對水布埡工程面板壩進(jìn)行了二維、三維仿真計算,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)計和施工等方面尚缺乏經(jīng)驗，為此在“九五”攻關(guān)中．對其中的關(guān)鍵技術(shù)問題進(jìn)行了科學(xué)研究。在計算分析方面，采用不同的計算模型對200m圾面板壩施工、蓄水全過...

采用三維有限元法對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)行模擬計算,分析了不同時期壩體及面板的應(yīng)力變形情況。計算結(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。通過對水布埡面板堆石壩在二期面板澆注前的壩體實測沉降結(jié)果與計算預(yù)測結(jié)果以及其它已建高面板壩觀測結(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)論對高面板堆石壩結(jié)構(gòu)設(shè)計有參考作用,同時也證明了水布埡面板壩設(shè)計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國內(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,計算的面板應(yīng)力較大,下游坡變形方向與實測不符,而彈塑性模型的結(jié)果比較符合已有的經(jīng)驗。

發(fā)展能夠合理評價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)值分析方法對于面板堆石壩的設(shè)計和安全運(yùn)行具有重要的意義。本文開發(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)荷載大型三軸試驗確定堆石料的廣義塑性模型參數(shù),對紫坪鋪面板堆石壩的施工、蓄水過程及汶川地震震害進(jìn)行了數(shù)值模擬,并與實際施工監(jiān)測和震害調(diào)查結(jié)果進(jìn)行了對比。結(jié)果表明:數(shù)值計算得到的大壩在施工期、地震期的變形,地震后面板應(yīng)力分布及施工縫錯臺均與實測結(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算模型，并運(yùn)用中點增量法，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，獲得了不同時期壩體、面板應(yīng)力變形的分布與變化規(guī)律。通過有...

常規(guī)的彈塑性模型由于沒有考慮到損傷對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的影響,常常得到高于結(jié)構(gòu)實際承載力的應(yīng)力分布,難以模擬破壞時由于內(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)行簡化,推導(dǎo)出彈塑性損傷模型曲線,采用簡支純彎梁驗證了該簡化模型的正確性,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)真實受力特性,計算結(jié)果對預(yù)應(yīng)力鋼筋的布置和閘墩的設(shè)計具有指導(dǎo)意義.

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

采用非線性有限元分析方法,對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,其計算分析結(jié)果除可以為街面工程的設(shè)計、施工提供依據(jù)外,對其他類似工程也具有一定的參考價值。