冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性分析.pdf
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1、第 3 3卷 第 5期 2 0 1 6年 5月 长江科学 院 院报 J o u r n a l o f Ya n g t z e R i v e r S c i e n t i fi c R e s e a r c h I n s t i t u t e V0 1 33 No 5 Ma v 2 0 I 6 冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性分析 顾培英 , 肖仕燕 , 邓昌 , 章道生 , 王建 ( 1 南京水利科学研究院, 南京2 1 0 0 2 9 ; 2 河海大学 水利水电学院, 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要: 冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性较静荷载作用下要复杂得多。采用钢板
2、均匀冲击模拟水下循环冲 击波对混凝土重力坝的作用, 试验遵循几何和重力相似准则, 对模型重力坝进行均匀冲击破坏特性研究, 得到模型 坝体的动力破坏特性, 并对裂缝位置和扩展情况进行定位和追踪。试验结果表明: 当坝体遭受循环均匀冲击荷载 时, 上游坝面坝体最大动应变不再在坝踵处, 而是位于坝体中部; 坝头部位是抗冲击的薄弱部位 , 最先出现开裂破 坏; 坝体破坏模式包括贯穿性断裂、 碎裂、 层裂和抛掷等。试验结果可为大坝的运行管理、 防爆抗振设防及安全评 价提供理论依据和技术支持。 关键词: 混凝土重力坝; 冲击荷载作用; 循环冲击; 响应特性; 破坏模式 中图分类号: T V 3 2 3 文献
3、标志码: A 文章编号 : 1 0 0 1 5 4 8 5 ( 2 0 1 6 ) 0 5 0 0 4 8 0 5 1 研究背景 水 电能源是 目前大规模开发 的清洁能源 , 也事 关防洪抗旱 、 航运、 环境保护等重大国计 民生问题 。 我国水能资源十分丰富, 实际开发量和可开发量均 处于世界首位。近年来 我 国重力坝 的数量越来 越 多, 坝高越来越高, 这些高坝运行过程中除受静载、 地震荷载作用外 J , 还可能遭受 自然灾害或人为引 起 的冲击荷载的作用( 如大体积山体滑坡冲人水库 引起的冲击、 爆炸 冲击 、 船舶 冲击等) , 存在 动力破 坏的危险。大坝的意外损毁 , 可能导致灾
4、难性 的洪 水事件 , 席卷下游的居民区和农业土地, 给 国家和人 民的生命财产带来巨大的损失和灾难 。大坝安全问 题面临着前所未有的挑战。 近年来 国内外学者就冲击荷载作用下水中结构 的动力响应开展 了大量的研究 , 如 Ho u l s t o n等 J 对不同强度 的方形薄板进行 了水下爆炸试验研究获 得结构动力 响应 的位移分布值 , F u j i k a k e等 利用 落锤试验装置对钢筋混凝土梁在 冲击荷载下的动力 响应特性进行 了试验研究 , 并采用双 自由度质量 一 弹簧一 阻尼器模型对冲击试验进行计算与分析, 通 过对比试验结果与模型计算结果可知, 两者 吻合 良 好 。姚
5、熊亮等 利用 L S D Y N A有限元软件对 圆柱 结构在不同流体边界下水下爆炸 冲击载荷作用的动 态响应进行数值研究 , 并将数值模拟结果 和经验公 式计算结果 以及海军工程 的实验结果相 比较 , 结果 表明利用 L S D Y N A模拟水下爆炸在一定范围 内是 可行的。张社荣等 运用显式动力分析程序 L s D Y N A, 对水下爆炸 冲击荷载作用下大坝动 态响应 进行分析 , 探讨大坝可能破坏模式及相应 的破坏机 制。张社荣等 采用 S P H F E M耦合 方法 , 对水下 接触爆炸下 的大坝动态 响应及毁伤特性进 行 了分 析。王山山等 通过重力坝模型试验的方法 , 根据
6、 结构振动响应数据, 有效测试结构的动力特性。综 上所述可以看到 , 冲击对水 中结构 响应的试验研究 主要集中于结构的动态响应 , 对于大坝的安全 , 人们 更关心的是坝体遭受循环冲击荷载大坝的破坏形态 和破坏程度的估计。本文用机械冲击模拟大坝在强 冲击波作用下的破坏过程 , 开展大坝在核爆 、 山体滑 坡冲击作用下的破坏试验。 2理论分析 钢板冲击模型重力坝时冲击荷载随时间急剧变 化 , 且使系统产生惯性力。本研究采用能量法近似计 算结构的冲击力和冲击应力, 并给出如下假定: 不 计冲击物钢板的变形 ; 冲击物钢板撞击重力坝迎水 坝面回弹后, 不再作用第 2 次; 被冲击物模型重力 坝的惯
7、性与冲击物钢板相 比很小 , 可略去不计 , 冲击 力瞬时传遍整个被冲击物模型重力坝; 整个冲击过 程中, 构件在线弹性范围内; 冲击过程 中, 声 、 热等 收稿 日期: 2 0 1 5 0 3 - 0 9 ; 修 回日期: 2 0 1 5 - 0 4 一l O 基金项目: 国家 自然科学基金项 目( 5 1 1 7 9 1 0 7 ) 作者简介: 顾培英( ( 1 9 6 8 一 ) , 女 , 江苏南通人, 教授级高级工程师 , 主要从事水 工结构抗震、 减震 、 损伤振动诊 断研究 , ( 电话 ) 1 3 6 0 5 1 6 8 9 0 4 ( 电 子信箱 ) 2 3 7 6 5 1
8、 7 0 8 q q c o rn。 第5期 顾培英 等冲击荷载作用下混凝土重力坝破坏特性分析 4 9 能量损耗很小, 可略去不计; 地基视为刚性 , 不考 虑大坝和地基 的相互作用 , 不考虑温度变化。 图 1 为坝体结构受冲击荷载前后的受力简图。 其中, 静荷载作用下坝体向下游面倾斜的水平距离 为 冲击荷载作用下坝体向下游面倾斜的水平距 离为 。根据能量守恒定律可得公式如下: 1 1 m = i l ; ( 1 ) 一 u , 、 二 二 : ( 2 ) 、 式中: m为加载板质量 ; 为冲击速度 ; q为均布荷 载; Z 为坝高 。 C o ) 静载作用下 图 1 坝体结构受冲击荷载前后
9、的力学分析 F i g 1 F o r c e a n a l y s i s o f s t r u c t u r e b e f o r e a n d a f t e r i mp a c t l o a d 由此可推出动力系数 K 的表达式如下 。 ( 3 ) g D 静荷载作用下重力坝静位移 可表示为 6 = q Y ( y +6 1 4 1 y ) 。 ( 4 ) 式中: E为弹性模量 ; , 为惯性矩 。 静荷载作用下的应力一 应变计算表达如下式 : = 1 2 = 1 3 2+ 。 9, 。 , Y ( 0 , 0 6 6 ) ; ( 5 ) M = q F ,l ( 0 ,
10、 0 7 5 ) ; ( 6 ) : , ( U一 , U一 6 3 ) 。 ( 一I ) t _, , 0 j J 。 L , 由式( 5 ) 至式( 7 ) 可知 当 = O 6 3 时 取得最 大应力 , 即坝踵和坝址处应力应变响应最大。 3 试验概况 3 1 试件设计 本试 验 模 拟 的 是 枫 树 大 坝 的某 坝 段 , 坝 高 9 5 3 m, 坝底厚度 8 0 m, 坝顶宽度 2 9 m。本文模 型 的比例尺为 1: 1 2 7 , 试验采用水泥砂浆来制作结构 模型, 水泥砂浆这种模型材料的密度 、 泊松比都很容 易与实际混凝土 一致。试验共设计 了一个重力坝 段 , 坝段高
11、0 7 5 m, 宽0 6 3 m, 厚0 0 9 m, 水泥砂 浆通 过搅拌机搅拌, 木模浇筑成型, 达到龄期后首先进行 水泥砂浆试块材料力学性能试验 , 水泥砂浆试块 弹 性模量2 1 3 G P a , 抗压强度2 9 7 MP a , 泊松t h 0 1 4 。 3 2 试验装置 由于爆炸或山体滑坡产生的水下冲击波强度 高, 传播速度快, 在一定范围内球面波可以作为平面 波来考虑, 坝体上游面受到的冲击荷载可以认为沿 坝高和坝轴线方 向均是均匀分布的, 同时考虑 到坝 体横向分缝形成坝段, 各个坝段独立工作, 所以取一 个坝段研究可以代表整个坝体。 均匀冲击试 验激励装置 自行设计,
12、将 5块 0 2 3 m x 0 1 4 re x 0 0 2 m 钢板作为加载板, 每块加载 板分别用 2根角钢悬 吊, 且悬 吊高度相等 , 并利用滑 轮与顶部加载板相连, 加载时通过调整钢板到地面 的垂直高度来改变冲击能, 为保证加载板同时释放, 本试验用电磁铁同时断电来控制。模型重力坝底部 通过钢板底座锚 固住 , 对重力坝迎水 面施加均匀冲 击荷载 , 试验激励装置如图 2所示。 3 3 测试方案 试验采用 固定钢板重量 , 变化钢板冲击速度改 变冲击能量。考虑加 载板 间的相互作用及摆臂变 形、 摩擦力等影响, 应用 H X - 3 型高速摄像机分别测 得 5块加载板接触试件前的瞬
13、时冲击速度及接触时 刻 , 计算冲击能。测试结果表明, 5块加载板基本能 同时接触试件 , 一般情况下冲击速度差异不大 , 近似 认为冲击力均匀。由于摆臂质量很小 , 只有加载板 的1 2 , 摆臂冲击能会更小, 故忽略摆臂冲击能影 响。考虑应变的对称性, 同时兼顾其他同步测试项 目, 如高速摄影、 冲击加载试验装置、 声发射等应变 片只贴在模型的左侧, 一共 1 1 个测点。除第 1 个测 点只贴有竖 向应变片 , 别 的测点均有横向、 竖 向、 斜 向的三向应变片 , 共计 3 1 个应变片, 如图 3所示。 5 2 长 江科 学院院报 尺寸为 5 m m X 5 m m 。结合高速摄像仪
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