小湾拱坝地震响应非线性有限元分析
在我国西部进行水电能源开发，对多地震国家的强震区来说，高坝抗震安全问题是目前我国水电科技工作者必须面对的一个严重挑战，也是确保工程顺利与运行安全的关键科学与技术课题。按照抗震设计的两阶段设计思想，罕遇地震下拱坝结构将表现出强非线性响应和损伤渐进累积发展的特征，其精细化分析属于学科前沿课题。拱坝横缝非线性和坝体材料非线性及其耦合作用被认为是影响强震作用下拱坝响应的重要因素，相关课题的研究具有重要的理论意义和实用价值。
（1）介绍了损伤力学基本知识：两大问题、三大假定（原理）以及在热力学框架中几个损伤力学概念，详细总结了损伤演化问题，以及混凝土损伤力学的特点和混凝土损伤模型。介绍了ABAQUS中的损伤塑性本构，该本构采用各向同性弹性损伤结合各向同性拉伸和压缩塑性理论来研究混凝土的非弹性特性。同时本文提出了以D-P为屈服准则，以D-P型函数为势函数的损伤本构，其中损伤变量的演化公式采用Mazars提出的。
（2）介绍应力更新算法：显示Euler积分算法和完全隐式Euler返回算法。介绍了基于本构积分算法的系统线性化的算法模量，给出了完全隐式向后Euler图形返回算法的框图。推导了基于D-P准则的返回算法和算法模量，并给出了算法框图。给出了应力更新的基本步骤，以流程图的形式给出了应力更新的过程。介绍了ABAQUS软件提供的UMAT子程序，采用Fortran语言编写了基于D-P准则损伤本构的接口程序，同时指出程序设计的有关注意事项，最后通过一个例子验证了本程序的精度。
（3）以小湾拱坝为例，建立其三维有限元模型，考虑两种典型工况下不同本构对拱坝地震响应的影响。首先由规范给出的混凝土单轴受压受拉应力应变曲线，得出单轴压缩硬化曲线、单轴拉伸软化曲线，然后根据能量等效假设，推导受压受拉的损伤变量的公式，作为ABAQUS中混凝土损伤塑性本构的参数输入。接着在ABAQUS编写了考虑动水压力影响的附加质量单元程序，对小湾拱坝的动力特性进行了计算分析。然后用线弹性本构、D-P本构、ABAQUS中的损伤塑性本构、基于D-P准则损伤本构对小湾拱坝进行了动力分析，结果表明，在正常蓄水位下，线弹性本构下的拉应力比两种损伤本构的拉应力大，压应力相差不大；D-P本构下的拉应力也比两种损伤本构的拉应力大；两种损伤本构的顺河向位移峰值最大，并且两种损伤本构计算出来的位移响应最大值有滞后现象；在常遇低水位下，四种本构计算的应力、位移值都相差不大。
（4）描述了ABAQUS/Standard中的接触分析及其参数设置、接触算法，然后采用基于表面的接触模拟拱坝横缝。考虑坝体分缝、水位改变以及坝体材料非线性对拱坝进行地震响应分析。结果表明，①每条缝的最大开度都不是出现在中缝，而是出现在左右两侧缝上；②至少模拟3条分布较为均匀的横缝就可以大体反映拱坝实际应力状况；③当考虑横缝张开效应后，拱向应力明显减小，梁向应力增加，上下游面的主应力减小；④对于考虑横缝张开效应的拱坝，如果从坝体应力的角度考虑，高水位是控制工况；如果从控制横缝开度的角度而言，低水位是控制工况；⑤考虑横缝后，坝体损伤值会增大。
（5）文章最后根据研究成果提出了一些具有一定学术价值的结论以及与实际工程密切关联的建设性建议，并对未来发展趋势进行了展望。
小湾拱坝;地震响应;三维有限元模型;损伤力学;应力更新算法;横缝张开效应
三峡大学
硕士
水工结构工程
彭刚;姜袁
2009
中文
TV642.4;TV312
110
2009-12-31（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）