【摘要】：過(guò)大的永久變形往往是導(dǎo)致堆石壩震害的主要原因。準(zhǔn)確預(yù)測(cè)堆石體的地震變形在堆石壩的抗震設(shè)計(jì)中尤為重要。目前廣泛使用的等價(jià)粘彈塑性模型對(duì)堆石體在地震荷載作用下變形的描述具有很大經(jīng)驗(yàn)性,只能粗略估算地震荷載引起的殘余變形,采用循環(huán)彈塑性模型可彌補(bǔ)這一缺陷。本文在前人研究的基礎(chǔ)上,著重對(duì)堆石料在循環(huán)荷載作用下的應(yīng)力應(yīng)變規(guī)律進(jìn)行了總結(jié),建立了一個(gè)實(shí)用化的三維彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型,提出了基于該模型的數(shù)值化方法,開(kāi)發(fā)了基于開(kāi)源動(dòng)力有限元軟件OpenSees的面板堆石壩動(dòng)力計(jì)算程序。本文取得的研究成果主要包括以下幾個(gè)方面:第一,建立了一個(gè)可合理地反映堆石料在循環(huán)荷載作用下應(yīng)力-應(yīng)變特性的三維彈塑性本構(gòu)模型。與目前已有的彈塑性循環(huán)本構(gòu)模型相比,該模型具有以下幾個(gè)明顯優(yōu)勢(shì):1)提出了一個(gè)基于修正空間滑動(dòng)面強(qiáng)度理論的雙參數(shù)三維非線性強(qiáng)度準(zhǔn)則,使復(fù)雜循環(huán)加載下堆石料強(qiáng)度的描述更為簡(jiǎn)便合理;2)可反映偏應(yīng)力循環(huán)、球應(yīng)力循環(huán)及二者共同作用下不可逆體應(yīng)變的累積規(guī)律,使循環(huán)荷載作用下堆石料體應(yīng)變的描述更為準(zhǔn)確合理;3)可反映循環(huán)剪切荷載作用下剪應(yīng)力-剪應(yīng)變關(guān)系的滯回特性、硬化特性和應(yīng)變累積特性,使循環(huán)荷載作用下堆石料剪應(yīng)變的描述更為精細(xì)合理;4)共有11個(gè)物理意義明確的模型參數(shù),均可由振動(dòng)三軸試驗(yàn)測(cè)得的最大剪切模量、模量衰減曲線和殘余變形累積曲線等常規(guī)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)確定,使該模型更加實(shí)用化。第二,提出了該本構(gòu)模型的數(shù)值實(shí)現(xiàn)方法,開(kāi)發(fā)了基于開(kāi)源動(dòng)力有限元軟件OpenSees的用戶材料子程序以及針對(duì)面板堆石壩動(dòng)力計(jì)算的輔助性前后處理程序,實(shí)現(xiàn)了較為高效的數(shù)值建模。通過(guò)對(duì)二維理想壩模型、三維均質(zhì)壩模型的系列計(jì)算和對(duì)比分析,完成了對(duì)程序有效性的測(cè)試。第三,通過(guò)三維動(dòng)力彈塑性有限元分析,較為合理地再現(xiàn)和揭示了紫坪鋪高面板堆石壩的震動(dòng)響應(yīng)和變形規(guī)律,模擬結(jié)果與汶川地震后實(shí)測(cè)殘余變形的分布基本上吻合,進(jìn)一步檢驗(yàn)了本文所建立模型及相應(yīng)數(shù)值方法的適用性。
[Abstract]:Excessive permanent deformation is often the main cause of earthquake damage of rockfill dams. It is very important to predict the seismic deformation of rockfill dam accurately. The equivalent viscoelastic-plastic model, which is widely used at present, has great experience in describing the deformation of rockfill under earthquake load, and the residual deformation caused by earthquake load can only be estimated roughly, which can be remedied by using the cyclic elastic-plastic model. On the basis of previous studies, the stress-strain law of rockfill under cyclic loading is summarized, a practical three-dimensional elastic-plastic cyclic constitutive model is established, and a numerical method based on this model is proposed. The dynamic calculation program of face rockfill dam based on open source finite element software OpenSees is developed. The research results obtained in this paper mainly include the following aspects: first, a three-dimensional elastic-plastic constitutive model which can reasonably reflect the stress-strain characteristics of rockfill under cyclic loading is established. Compared with the existing elastoplastic cyclic constitutive model, this model has the following obvious advantages: 1) A two-parameter three-dimensional nonlinear strength criterion based on the modified spatial sliding surface strength theory is proposed. The description of the strength of rockfill under complex cyclic loading is more simple and reasonable, and it can reflect the cumulative law of the strain of irreversible body under the action of bionic stress cycle, spherical stress cycle and both of them. It can reflect the hysteretic characteristic, hardening characteristic and strain accumulation characteristic of shear stress-strain relationship under cyclic shear load. In order to make the description of shear strain of rockfill more precise and reasonable under cyclic load, there are 11 model parameters with definite physical meaning, which can be obtained from the maximum shear modulus measured by vibration triaxial test. The conventional experimental results, such as modulus attenuation curve and residual deformation accumulation curve, make the model more practical. Secondly, the numerical realization method of the constitutive model is presented, and the user material subprogram based on open-source finite element software OpenSees and the auxiliary pre-and post-processing program for dynamic calculation of face rockfill dam are developed. A more efficient numerical modeling is realized. The validity of the program is tested by a series of calculation and comparative analysis of the two dimensional ideal dam model and the three dimensional homogeneous dam model. Thirdly, the vibration response and deformation law of Zipingpu high face rockfill dam are reappeared and revealed by three-dimensional dynamic elastic-plastic finite element analysis. The simulation results are basically consistent with the distribution of residual deformation measured after Wenchuan earthquake. The applicability of the proposed model and the corresponding numerical method is further tested.
【學(xué)位授予單位】：清華大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TV41

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本文編號(hào)：2214410