【摘要】：隨著我國水利事業(yè)的蓬勃發(fā)展,一大批拱壩已經(jīng)或正在建設(shè),拱壩的抗震安全顯得尤為重要。強震作用下,高碾壓混凝土拱壩的破壞機理極其復(fù)雜,影響因素眾多。盡管目前數(shù)值模擬成為研究高壩強震破壞機理的主要途徑,但是動力模型試驗仍不失為一種重要方法,且我國《水電工程水工建筑物抗震設(shè)計規(guī)范》(NB 35047-2015)規(guī)定當(dāng)設(shè)計烈度為Ⅷ度及以上且高度超過150m的甲類工程大壩,宜進行動力模型試驗。高壩動力模型試驗的仿真材料、模型技術(shù)以及測試方法等仍不夠完善,尤其是在強震作用下拱壩結(jié)構(gòu)縫的非線性行為、水平薄弱層的影響、大壩-庫水相互作用等方面仍然存在諸多挑戰(zhàn)。本文為了探究拱壩強震下結(jié)構(gòu)縫、水平薄弱層以及壩庫相互作用,進行了一系列的試驗研究,具體包括模型材料試驗研究、損傷監(jiān)測技術(shù)方法研究、振動臺破壞試驗以及數(shù)值仿真等。主要研究內(nèi)容如下：(1)研制了一種具有高密度、低彈模、低抗拉強度且脆性良好的高壩模型材料。針對不同應(yīng)變速率下模型材料單軸拉伸與壓縮本構(gòu)關(guān)系進行了一系列試驗研究,得到了模型材料在動力作用下的應(yīng)力一應(yīng)變曲線方程,以及極限強度、峰值應(yīng)力處應(yīng)變、彈性模量、泊松比和吸能能力與應(yīng)變速率的關(guān)系,且與原型材料的率相關(guān)性進行對比,為高壩動力模型試驗再現(xiàn)原型拱壩的破壞機理提供材料依據(jù),并為數(shù)值研究提供材料參數(shù)(本文第二章)。(2)發(fā)展了一種高拱壩動力模型試驗的損傷監(jiān)測方法,用以實現(xiàn)對高壩模型動態(tài)應(yīng)力以及結(jié)構(gòu)損傷的監(jiān)測。模型試驗前先利用正壓電效應(yīng)在不同加載速率下進行了傳感器標(biāo)定試驗;采用均方根指數(shù)定義損傷指數(shù),通過預(yù)試驗來驗證損傷監(jiān)測方法的有效性。在此基礎(chǔ)上,把分布式傳感器網(wǎng)絡(luò)嵌入高壩模型內(nèi)部,構(gòu)造路徑-時程損傷指數(shù)矩陣來表征模型的損傷位置和損傷過程,通過模型試驗驗證了此方法的可行性。此方法與傳統(tǒng)高壩模型測試方法互相補充,提高拱壩動力模型試驗測試精度,揭示模型損傷破壞規(guī)律(本文第三章)。(3)在模型材料研究與損傷監(jiān)測技術(shù)研究的基礎(chǔ)上,通過高壩動力模型破壞試驗,分步驟地研究結(jié)構(gòu)縫以及水平薄弱層對拱壩地震破壞機理以及失效模式的影響。模型的建立基于彈性力-重力相似準(zhǔn)則,相似關(guān)系設(shè)計時考慮了原模型材料力學(xué)特性率敏感性。模型橫縫模擬考慮鍵槽影響,誘導(dǎo)縫模擬基于斷裂力學(xué)理論,同時進行含薄弱層的模型材料動態(tài)劈拉試驗。結(jié)果表明,結(jié)構(gòu)縫能夠在地震中釋放壩體內(nèi)部應(yīng)力,提高拱壩整體超載能力；薄弱層的存在沒有顯著降低壩體整體超載能力,主要影響為拱向約束減弱后,梁向位置進入懸臂梁加載模式后的失效模式。試驗成果豐富了高拱壩動力模型試驗的研究內(nèi)容,為優(yōu)化拱壩抗震設(shè)計、評估拱壩抗震安全提供科學(xué)依據(jù)(本文第四、五章)。(4)以天然水模擬庫水,利用拱壩動力模型試驗方法研究了庫水作用下拱壩動力響應(yīng)與失效模式。將試驗結(jié)果與不考慮庫水影響的試驗進行對比,發(fā)現(xiàn)庫水使拱壩處于預(yù)壓狀態(tài),充分發(fā)揮拱壩耐壓的受力特點,較之空庫狀態(tài)更有利于壩體安全�？紤]到相似關(guān)系要求和實際條件,通過數(shù)值分析方法研究了模型庫水密度對試驗結(jié)果的影響。數(shù)值模型壩體的非線性本構(gòu)選用混凝土損傷力學(xué)模型,材料參數(shù)通過力學(xué)性能試驗獲得,結(jié)構(gòu)縫的模擬采用內(nèi)聚力單元,通過空庫試驗結(jié)果校核數(shù)值模型。數(shù)值結(jié)果表明,不同庫水密度主要對壩體上游面拉主應(yīng)力分布有影響,對失效模式的影響可以忽略。目前還沒有找到更加經(jīng)濟實用且滿足相似關(guān)系的液體時,天然水模擬庫水不失為一種有效的辦法(本文第六章)。
[Abstract]:With the vigorous development of water conservancy in China, a large number of arch dams have been or are being built, and the seismic safety of arch dams is particularly important. Under strong earthquakes, the failure mechanism of high RCC arch dam is extremely complex and many factors affect it. Although numerical simulation has become the main way to study the mechanism of high dam strong earthquake damage, the dynamic model The test is still an important method, and the code for seismic design of hydraulic engineering of Hydropower Engineering (NB 35047-2015) stipulates that the dynamic model test should be carried out when the design of a class a dam with a degree of VIII and above and higher than 150m. The imitation real material, the model technology and the testing method of the dynamic model test of the high dam are still not enough. It is perfect, especially for the nonlinear behavior of arch dam structure joint under strong earthquake, the influence of the horizontal weak layer, the interaction of dam and reservoir water, and so on. In this paper, a series of experimental studies are carried out to explore the structural seams, the horizontal weak layers and the dam bank interaction under the strong earthquake of the arch dam, including the model material test. Research, damage monitoring technique, vibration table failure test and numerical simulation. The main contents are as follows: (1) a high density, low elastic modulus, low tensile strength and good brittleness of high dam model materials are developed. A series of tests on the constitutive relation of the uniaxial tension and compression of the model materials under different strain rates are carried out. The stress-strain curve equation of the model material under dynamic action, and the relationship between the ultimate strength, the strain of the peak stress, the modulus of elasticity, the modulus of elasticity, the Poisson's ratio, the energy absorption capacity and the strain rate are obtained, and the correlation between the strain rate and the prototype material is compared, which provides the material for the failure mechanism of the arch dam in the dynamic force model test of the high dam. Material parameters are provided and material parameters are provided for Numerical Research (second chapter). (2) a damage monitoring method for dynamic model test of high arch dam is developed to monitor dynamic stress and structural damage of high dam model. Before the model test, the positive piezoelectric effect is used to calibrate the sensor under the same loading rate. The damage index is defined by the root mean square index, and the effectiveness of the damage monitoring method is verified by pre test. On this basis, the distributed sensor network is embedded into the high dam model and the path time history damage index matrix is constructed to characterize the damage location and damage process of the model, and the feasibility of this method is verified by the model test. It is complementary to the traditional high dam model testing method, to improve the test precision of dynamic model test of arch dam and to reveal the law of damage and damage of the model (third chapter). (3) on the basis of the research of the model material research and damage monitoring technology, the structural seams and the horizontal weak layers are studied step by step through the failure test of the dynamic model of the high dam. The mechanism of earthquake damage and the effect of failure mode. The model is based on the elastic force gravity similarity criterion, and the sensitivity of the original model material mechanical characteristic is considered when the similarity relation is designed. The model transverse joint simulation considers the keyway, the induced seam simulation is based on the fracture mechanics theory, and the dynamic splitting test of the model material containing the weak layer is carried out at the same time. The results show that the structural joints can release the internal stress of the dam in the earthquake and improve the overall overload capacity of the arch dam. The existence of the weak layer does not significantly reduce the overloading capacity of the whole dam, and the main effect is the failure mode after the arch constraint is weakened and the beam position enters the cantilever beam loading mode. The test results enrich the dynamic model test of the high arch dam. The research content of the study provides a scientific basis for optimizing the seismic design of arch dams and evaluating the seismic safety of arch dams (fourth, fifth chapters). (4) using natural water to simulate the reservoir water, the dynamic response and failure modes of arch dams under the action of reservoir water are studied by using the dynamic model test method of arch dam. The present reservoir water makes the arch dam in preloading state, giving full play to the stress characteristics of the arch dam, which is more beneficial to the dam safety than that of the empty reservoir. Considering the similar relationship requirements and the actual conditions, the influence of the water density of the model reservoir on the test results is studied by the numerical analysis method. The nonlinear constitutive model of the numerical model dam is selected to select the concrete damage force. The material parameters are obtained by the mechanical performance test. The cohesion unit is simulated by the cohesive unit, and the numerical model is checked by the results of the empty reservoir test. The numerical results show that the water density of the different reservoirs is mainly influenced by the distribution of the main stress in the upper reaches of the dam, and the effect on the failure mode can be ignored. When using liquids that satisfy similar relations, natural water simulation is an effective method (the sixth chapter).
【學(xué)位授予單位】：大連理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TV642.4

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本文編號：2152192