強(qiáng)震作用下高聳進(jìn)水塔損傷破壞機(jī)理分析.pdf

1、近年來(lái)隨著水利水電工程的大力開(kāi)發(fā)，高聳進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)的建設(shè)和研究也得到了迅速的發(fā)展，但是在已建的高聳進(jìn)水塔結(jié)構(gòu)中經(jīng)過(guò)強(qiáng)烈地震檢驗(yàn)的特別少，而且針對(duì)高聳進(jìn)水塔在強(qiáng)烈地震作用下的相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)均特別少，尤其是高聳進(jìn)水塔地震損傷這方面的研究未見(jiàn)報(bào)道，因此，開(kāi)展強(qiáng)震作用下高聳進(jìn)水塔損傷破壞機(jī)理分析研究具有重要的意義。本文分別從混凝土的動(dòng)力損傷模型、地基巖體的材料非線性、地基輻射阻尼、模型網(wǎng)格尺寸、進(jìn)水塔配筋等方面進(jìn)行了比較系統(tǒng)的研究，使得進(jìn)

2、水塔-地基體系地震損傷特性的描述更加接近實(shí)際震災(zāi)，對(duì)進(jìn)水塔工程的指導(dǎo)有一定的參考意義和科學(xué)價(jià)值。其主要研究成果和結(jié)論如下：
　?。?）本文以連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論和熱力學(xué)定律為基礎(chǔ)，建立了考慮不可恢復(fù)殘余變量的混凝土塑性損傷模型，提出了選取損傷變量的原則，推導(dǎo)了塑性自由能的具體表達(dá)式，并以Weibull分布假設(shè)為基礎(chǔ)，考慮材料的壓拉損傷特性，確定了隱含損傷準(zhǔn)則的材料能量釋放率與壓損傷（拉損傷）之間的關(guān)系，提出了材料的損傷本構(gòu)函數(shù)、損傷演

3、化函數(shù)和塑性變形表達(dá)式。通過(guò)混凝土加載試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了本文建立損傷模型的有效性和適用性，即本文建立損傷模型可以比較好的表達(dá)混凝土的地震損傷特性，從而避免了彈塑性損傷求解過(guò)程中的不確定因素影響和計(jì)算過(guò)程中的復(fù)雜性。
　?。?）本文在有限元ABAQUS的二次開(kāi)發(fā)功能的基礎(chǔ)上，利用FORTRAN語(yǔ)言研編了混凝土的動(dòng)力損傷本構(gòu)的有限元程序，研究了經(jīng)典案例Koyna重力壩的地震損傷特性，并與文獻(xiàn)[109]的研究成果和實(shí)際震災(zāi)對(duì)比，結(jié)果表明，

4、本文建立的損傷模型可以較好地表達(dá)Koyna重力壩的地震損傷演化特性，有效地模擬了Koyna重力壩的地震損傷累計(jì)，記錄了重力壩損傷累計(jì)歷程，從而說(shuō)明本文建立的損傷本構(gòu)模型在水利工程混凝土中具有一定的可行性和適用性。
　?。?）本文分析了進(jìn)水塔材料非線性對(duì)地震損傷的影響，結(jié)果表明，由于考慮了進(jìn)水塔的非線性，當(dāng)進(jìn)水塔混凝土拉應(yīng)力峰值大于標(biāo)準(zhǔn)抗拉應(yīng)力時(shí)，混凝土產(chǎn)生損傷，損傷后的混凝土不在承受拉應(yīng)力，但是仍可以承受壓應(yīng)力，即進(jìn)水塔混凝土拉應(yīng)

5、力達(dá)到一定值后，會(huì)迅速降低為0，這就表明考慮進(jìn)水塔的非線性時(shí)更符合實(shí)際情況，可以真實(shí)反映進(jìn)水塔損傷以后的應(yīng)力重分布情況。
　　（4）本文分析了模型網(wǎng)格尺寸大小對(duì)進(jìn)水塔塔體地震損傷的影響，結(jié)果表明，在應(yīng)力集中區(qū)域，大網(wǎng)格模型的最大主應(yīng)力值大于小網(wǎng)格模型相應(yīng)位置的最大主應(yīng)力值。進(jìn)水塔模型網(wǎng)格尺寸比較大時(shí)，模型單元的損傷擴(kuò)展過(guò)程會(huì)比較慢，并且損傷區(qū)域的相對(duì)應(yīng)變會(huì)較小，與單元的尺寸效應(yīng)理論相符合，即進(jìn)水塔模型網(wǎng)格尺寸較大時(shí)，會(huì)使進(jìn)水塔模型

6、損傷計(jì)算的準(zhǔn)確度降低，所以進(jìn)水塔模型網(wǎng)格尺寸較小時(shí)，才會(huì)更真實(shí)、更準(zhǔn)確的描述進(jìn)水塔地震損傷的擴(kuò)展過(guò)程。
　　（5）與未考慮進(jìn)水塔配筋時(shí)相比較，考慮進(jìn)水塔配筋時(shí)，進(jìn)水塔塔頂?shù)南鄬?duì)位移減小，塔背的應(yīng)變也減小，并且進(jìn)水塔的損傷程度和區(qū)域都有所減小，從而說(shuō)明考慮進(jìn)水塔配筋使得進(jìn)水塔的穩(wěn)定性大大增加。
　?。?）本文對(duì)進(jìn)水塔-地基體系進(jìn)行了地震損傷分析。塔體-地基巖體體系均考慮材料非線性時(shí)，塔體的損傷區(qū)域有所減小，其主要原因是塔體與地

7、基交界處的應(yīng)力集中釋放，使得在塔體與地基交界處的大范圍地震損傷不再存在，從而更加接近實(shí)際震情。最后對(duì)進(jìn)水塔-地基巖體體系進(jìn)行了穩(wěn)定分析，進(jìn)水塔在整個(gè)地震過(guò)程中沒(méi)有滑移和傾覆的趨勢(shì)，抗滑安全系數(shù)極小值和抗傾覆安全系數(shù)極小值均有所增大，這表明對(duì)進(jìn)水塔進(jìn)行地震損傷分析時(shí)，考慮地基的材料非線性會(huì)使得進(jìn)水塔更加偏安全。
　?。?）本文分析了不同邊界條件對(duì)進(jìn)水塔地震損傷的影響，隨著塔背地基的逐漸升高，塔體產(chǎn)生的損傷耗散能逐漸減少，塔體產(chǎn)生的損