观音岩水电站混凝土梁三点弯曲试验的数值模拟.pdf

2 0 1 5 年 第 4 期 ( 总 第 3 0 6 期 】 Nu m b e r 4 i n 2 0 1 5 ( T o t a l No 3 0 6 ) 混 凝 土 Co n c r e t e 理论研究 T HEORE1 1CAL R ES EARCH d o i ： 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 5 0 4 0 0 4 观音岩水 电站混凝土梁三点弯 曲试验的数值模拟 马悦 ， 戴峰 ， 徐奴文 ， 沙椿 ， 何刚 ( 1 四川大学 水力学与山区河流开发保护国家重点实验室，四川 成都 6 1 0 0 6 5 ； 2 中国水电顾问集团 成都勘测设计研究院，四川 成都 6 1 0 0 7 2 ) 摘要：以观音岩水电站现场切割的坝体混凝土梁为物理模型， 利用真实破坏过程分析软件 R F P A 对该混凝土梁进行三点弯 试验的数值模拟， 观察并分析混凝土裂缝的起裂 、 扩展直至试件宏观破坏的整个过程， 将数值模拟得到的混凝土梁不同开裂过程 对应的声发射 、 抗弯强度以及断裂破坏模式与现场物理试验结果对 比分析 ， 发现混凝土梁的三点弯曲数值试验得到的破坏特征 与现场试验结果基本吻合。 研究结果表明该数值模型的实用性 ， 为进一步研究观音岩水电站坝体裂缝形成机理和揭示坝体裂纹 扩展规律奠定基础。 关键词 ： 三点弯曲试验 ； 混凝土； 数值模拟 ； 微震监测； 观音岩水 电站 中图分类号： T U 5 2 8 0 1 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 5 ) 0 4 0 o 1 4 一 o 4 Nu me r i c a l s i m u l a t i o n o f t h r e e p o i n t b e n d i ng t e s t of c o n c r e t e b e a m f r om Gu a n y i n y a n M A Yu e ，DAI F e n g ， XU Nu we n，SHA Ch u n ， HE Ga n g ( 1 S t a t e Ke y L a b o r a t o r y o f Hy d r a u l i c s a n d Mo u n t a i n R i v e r E n g i n e e ri n g ， Co l l e g e o f Wa t e r Re s o u r c e a n d H y d r o p o we r ， S i c h ua n Un i v e r s i t y， Ch e n g d u 6 1 0 0 6 5， Ch i na； 2 Ch e n g d u Hy d r o e l e c t r i c I nv e s tig a ti o n a n d De s i g n I n s t i t u t e， C h i n a Hy d r o p o we r E n g i n e e ri n g Co n s u l t i n g G r o u p Co ， C h e n g d u 6 1 0 0 7 2， C h i n a ) Abst r a c t： Ac c o r d i n g t O t h e p h y s i c a l mo d e l of t h e d a m c o n c r e t e b e a m c u t f r o m Gua n y i ny a n h y d r o p o we r s t a t i o n， n u me ric a l s i mu l a ti o n o n t h r e e p o i n t b e n d i n g t e s t s o f t h e c o n c r e t e b e a m wa s c o n d u c t e d b y the R e a l i s ti c F a i l u r e P r o c e s s An a l y s i s ( R F P A ) T h e f a i l u r e p r o c e s s e s i n c l u di n g c r a c k s i n i t i a t i o n， p r o p a g i o n a n d m a c r o d a m a g e o f t h e c o n c r e t e b e a m we r e i n v e s t i g a t e d a n d a n a l y z e d Th e c or r e s p o n d i n g a c o u s t i c e mi s s i o n， be n d i ng s t r e n g th ， a n d f r a c tur e mo d e d u r i n g d i f f e r e n t f a i l u r e p r o ce s s e s o f the c o n c r e t e b e a m o b t a i n e d f r o m n u me ric a l s i mu l a t i o n we re c o mp a r e d wi th t h o s e f r o m the p h ys i c a l e x p e rime n t o n s i t e Th e r e s u l t s r e v e a l tha t the f a i l u r e c h a r a c t e ris tic s o f c o n c r e t e b e am b e t we e n n u me ric a l s i mu l a ti on a n d o ns i t e t e s t s a r e i n a g o o d a g r e e me n t Th e p r a c t i c a bi l i t y o f the n u me ric a l mo d e l i s thu s v a l i d a t e d M o r e o v e r ， s o me r e f e r e nc e s c a n b e p r o v i d e d f o r a n a l y z i n g t h e f or ma t i o n me c ha n i s m o f da m c r a c k s a n d r e v e a l i n g d a m c r a c ks pr o pa ga t i o n l a w o f Gu a n y i n ya n h y d r o p o we r s t a tio n Key wor ds： t h r e e p o i nt b e n d i n g t e s t ； c o n c r e ； n u me r i c a l s i mu l a tio n； mi e r o s e i s mi c mo n i t o r i ng； Gu a n y i n y a n h y d r o p o we r s t i o n 混凝土是土木工程领域应用最为广泛的建筑材料 ， 其 力学性能直接影响了工程的安全以及效益。 为使混凝土 结构能够更好的满足工程应用 ， 国内很多学者对混凝土各 方面的性能进行了大量研究。 在混凝土力学性能方面 已经 有 了许多相关成果 ， 其中混凝土的断裂与损伤仍是 国际上 研究 的热点 ， 混凝土梁三点弯曲试验更 以其简 便的加载方 式和式样制作在混凝土断裂损伤研究领域得到广泛应用 。 在试验方面， P e t e r s s o n于 1 9 8 0年用带裂缝的三点弯曲试验 梁求混凝土的断裂能， 并验证 了其可行性 。 代祥俊等 利 用三点弯曲梁断裂试验得到 了反映混凝土断 裂特性 的数 据曲线。 张旋子等 在 MT S材料试验机上对混凝土进行 三点弯试验 ， 探究材料在不 同应力状态下的声发射信号。 数值模拟方法凭借其便捷性和可重复性在该研究热 点方面也有着重要 作用 。 徐 菁等 以混凝土 三点弯 曲 梁试件为例对混凝土进行 了开裂过程 的模拟 ， 得出了裂纹 在基质 、 骨料及界面中的扩展路径 。 孙 雅珍等 应用西多 霍夫损伤模 型和断裂力学 的耦 合分析方 法模 拟 了混凝 土 三点弯 曲梁的破坏过程 ， 发现裂纹是带着损伤区 向前扩展 的。 易富民等 和张雷等 利用三 点弯 曲梁 法对特性 混 凝土的开裂过程进行数值模拟， 并将其结果与素混凝土的 结果对 比， 总结 了所添加 的材料对 抵抗混 凝土 断裂 的作 用。 唐春安 和钟惠萍等 利用真实破坏过程分析软件 R F P A来模拟混凝土以及岩石材料整个断裂过程 。 上述 这些混凝土梁三 点弯曲物理或数值试验均 以试验室 物理 模型为研究对象 ， 大多研究混凝土构件的断裂机理与断裂 模式 ， 鲜有针对水 电工程大体积混凝土进 行断裂试验的研 究案例。 收稿 日期 ： 2 0 1 4 0 9 2 3 基金项 目： 国家 自然科学基金资助项 目( 5 1 2 0 9 1 2 7， 5 1 3 7 4 1 4 9 ) ； 四川省杰出青年基金项 目( 2 0 1 4 J Q 0 0 O 4 ) 1 4 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 位移和峰值强度都在普通 昆 凝土的荷载 一 位移曲线右侧 ， 峰 值强度随浸泡龄期的增加而升高 ， 峰值位移也呈右移趋势。 ( 3 ) 随硫 酸镁溶液浓度和浸泡龄期 的增加 ， 两种混凝 土的抗压强度都呈 下降趋 势。 粉煤 灰混凝 土在 浸泡 1 4 d 时的强度较高且随溶液浓度的增加而下降的幅度很小。 普 通混凝土的强度损失率 叼值最大达 4 0 6 ， 粉煤灰混凝 土 的 叼值在龄期达 9 0 d时仅为 2 8 9 。 ( 4 ) 统计分析可以发现两种混凝土的无侧限抗压强度与 试块电阻率存在正相关关系( 尺 = 0 8 1 2 7 ， 尺 = 0 9 5 8 8 ) 。 参考文献 ： 1 马昆林 混凝土盐结晶侵蚀机理与评价方法 D 长沙： 中南 大学 ， 2 0 0 9 2 左晓宝， 孙伟 硫酸盐侵蚀下的混凝土损伤破坏全过程 J 硅 酸盐学报 ， 2 0 0 9 ， 3 7 ( 7 ) ： 1 0 6 3 1 0 6 7 3 董宜森 硫酸盐侵蚀环境下混凝土耐久性能试验研究 D 杭 州： 浙江大学 ， 2 0 1 1 E 4 A N T H A MA M M， C O H E N M D， L E K J S u l t e a t t a c k r e s e a r c h w h i t h e r n o w J C e m e n t a n d C o n c r e t e R e s e ar c h ， 2 0 0 1 ， 3 1 ： 8 4 5 8 51 5 梁咏宁， 袁迎曙 硫酸盐腐蚀后混凝土单轴受压应力应变全曲 线r J 混凝土 ， 2 0 0 5 ( 7 ) ： 5 9 6 1 11 6 张凤杰， 吴厌， 向伟 ， 等 混凝土的硫酸盐腐蚀研究11 J 徐州工 程学院学报 ， 2 0 0 7 ， 2 2 ( 4 ) ： 5 7 5 9 7 梁咏宁， 袁迎曙 硫酸钠和硫酸镁溶液中混凝土腐蚀破坏 的机 理11 J 硅酸盐学报 ， 2 0 0 7 ( 4 ) ： 5 0 4 5 0 9 I- 8 A D A M N T h e c o n f u s e d w o r l d o f s u l f a t e a t t a c k o n c o n c r e t e 11 J 上接第 1 7页 c r e t e R e s e arc h ， 1 9 8 0 ( 1 O ) ： 7 8 1 0 1 1- 2 代祥俊 ， 蒲琪， 王利民， 等 混凝土断裂特,l*f S g 试验研究 J 山 东理工大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 5 ( 5 ) ： 4 9 3 张璇子， 陈红迁， 王志勇 混凝土材料三点弯曲破坏的声发射特 性 J 试验力学 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 4 5 7 4 6 2 4 罗晓勇， 施养杭 混凝土断裂的研究现状与展望 J 四川建筑 科学研究， 2 0 0 8 ( 6 ) ： 9 4 9 9 5 徐菁， 吴子燕 混凝土材 料细观结构 断裂数值模拟 J 西北工 业大学学报 ， 2 0 0 3 ( 5 ) ： 5 5 6 5 5 9 6 - 1孙雅珍 ， 余天庆0 昆凝土破坏的断裂与损伤耦合分析 J 沈阳 建筑大学学报 ： 自然科学版 ， 2 0 0 6 ( 1 ) ： 5 3 5 6 E 7 3易富民， 董侍 ， 吴智敏， 等 C F R P加固混凝土梁断裂特性的试验 研究11 J 水力发电学报 ， 2 0 0 9 ( 6 ) ： 1 9 31 9 9 8 张雷， 王金昌 纤维混凝土开裂扩展有限元数值模拟 J 低温 建筑技术 ， 2 0 1 2 ( 4 ) ： 3 1 3 3 9 唐春安 脆性材料破坏过程分析的数值试验方法 J 力学与实 上接第 2 1页 1 0 谢晓鹏， 杨广军， 管巧艳， 等 钢纤维对混凝土抗冻性能影响的 试验研究I- J 混凝土， 2 0 0 8 ( 8 ) ： 7 3 7 5 1 1 蔡迎春， 代兵权 改性聚丙烯纤维混凝土抗冻性能试验研究11 J 混凝土 ， 2 0 1 0 ( 7 ) ： 6 3 6 4+ 7 5 1 2 韩建军 不同侵蚀介质作用下高性能混凝土耐腐蚀性研究 J 粉煤灰 ， 2 0 1 0 ( 4 ) ： 6 8+ 1 1 C e m C o n c r R e s ， 2 0 0 4 ， 3 4 ( 8 ) ： 1 2 7 51 2 9 6 11 9 3 R A MME B W ， N A I K T R， K O L B E C K J U s e o f fl y a s h s l u r r y o f u n d e r g r o u n d f a c i l i t y c o n s t r u c ti o n J C o n s t r u c ti o n a n d B u i l d i n g Mat e fi s ， 1 9 9 4 ， 8 ( i ) I O D I K E O U B T h e d u r a b i l i t y o f f l y a s h c o n c r e t e C T h i r d C A N MET ACI I n t e rna t i o n a l Co n f e r e n c e on Th e Du r a b i l i t y o f Co n c r e t e， Ni c e： 1 9 9 4， 1 4 5 1 1 冯乃谦， 等 高性能混凝土技术 M 北京： 原子能出版社， 2 0 0 0 1 2 杨鼎宜， 周明耀 ， 杨鼎久 粉煤灰混凝土的而 寸 久 111 J 3 水利与建 筑工程学报， 2 0 0 3 ， 1 ( 3 ) ： 1 4 1 3 U 数华， 冷发光， 等 混凝土辅助胶凝材料 M 北京： 中国建材 工业出版社， 2 0 1 0 1 4 3 白晓红， 赵永强， 韩鹏举， 等 污染环境对水泥土力学特性影响 的试验研究r J 岩土工程学报， 2 0 0 7 ， 2 9 ( 8 ) ： 1 2 6 0 1 2 6 3 1 5 表润章 胶凝材料学 M 武汉 ： 武汉理工大学出版社， 1 9 9 6 1 6 3 方祥位， 等 混凝土硫酸盐侵蚀速度影响因素研究 J 建筑材 料学报 ， 2 0 0 7 ， l O ( 1 ) ： 8 9 9 6 1 7 马保国 海洋高性能混凝土的研究 D 武汉： 武汉工业大学， 2 0 0 0 1 8 梁咏宁， 袁迎曙 硫酸盐侵蚀环境 因素对混凝土性能退化的影 响 J 中国矿业大学学报， 2 0 0 5 ， 3 4 ( 4 ) ： 4 5 2 4 5 7 1 9 徐菁 基于模糊系统方法的混凝土强度评定模型研究11 D 青 岛 ： 中国海洋大学 ， 2 0 0 6 作者简介： 何斌( 1 9 8 5一) ， 男， 博士研究生。 联系地址： 太原理工大学( 北区) 建筑与土木工程学院( 0 3 0 0 2 4 ) 联 系 电话 ： 1 3 6 2 3 6 0 1 2 7 2 践， 1 9 9 9 ( 2 ) ： 2 1 2 4 1 O 钟惠萍， 黄小明， 张建仁 ， 等 混凝土拉伸断裂过程的 R F P A 2 D 模拟 J 长沙交通学院学报 ， 2 0 0 1 ( 2 ) ： 4 9 5 3 1 1 唐春安， 赵文 岩石破裂全过程分析软件系统 R F P A 。 J 岩石 力学与工程学报， 1 9 9 7 ( 5 ) ： 1 0 9 1 1 0 1 2 彭克龙， 张妍华 观音岩水电站大坝碾压混凝土施工质量控 U E J 水利水电技术， 2 0 1 4 ， 4 5 ( 5 ) ： 8 1 1 1 3 英成 ， 何刚 金沙江观音岩水电站混凝土模型微震监测试验报 告 z ， 2 0 1 4 1 4 朱万成 ， 唐春安 ， 齐安文 混凝土三点弯曲试件破坏过程的数值 模拟 J 力学与实践， 1 9 9 9 ( 5 ) ： 5 5 5 6 ， 4 1 作者简介： 高新文( 1 9 7 4一 ) ， 男 ， 在读博士 ， 从事路面结构与新材 料研究。 联系地址： 山西省太原市小店区许坦西街 3 6号 山西交科院黄土 实验室( 0 3 0 0 0 6 ) 联 系 电话 ： 1 5 8 3 5 1 1 1 2 3 6 25 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m