近断层地震动作用下混凝土高拱坝损伤特性研究

《近断层地震动作用下混凝土高拱坝损伤特性研究》论文发表期刊：《

水电能源科学

《近断层地震动作用下混凝土高拱坝损伤特性研究》论文作者信息：作者简介：唐彧杰（1994－），男，硕士研究生，研究方向为水工结构抗震。通讯作者：张燎军（1962－），男，教授、博导，研究方向为水工结构抗震。

　　摘要：我国西部地区已建或拟建一批混凝土高拱坝，其中许多位于结构复杂的地震断裂带，更易发生近场强震，可能引起高拱坝的严重损伤，因而有必要分析近断层地震动作用下高拱坝的损伤特性。考虑拱坝坝体的横缝及塑性损伤，建立某高拱坝的动力非线性有限元模型。从PEER强震数据库选取12条包括破裂前方脉冲、滑冲脉冲和无脉冲的近断层地震动作为输入波，分别从损伤破坏规律、耗能特点和坝顶中点位移响应等方面探讨其对混凝土高拱坝动力响应的规律。研究结果表明，破裂前方脉冲地震动作用下拱坝的损伤破坏、能量耗散及位移响应均最大，无脉冲地震动次之，滑冲脉冲最小;破裂前方脉冲和无脉冲地震动引起的坝体损伤和地震响应较大，应予以重视;滑冲脉冲作用下坝体的损伤破坏可忽略不计。

　　关键词：近断层地震动;破裂前方脉冲;滑冲脉冲;无脉冲;塑性损伤模型;高拱坝

　　1引言

　　我国水电资源主要集中于西部，且大多处于近场强震高发地带，因而有必要研究近断层地震动作用下水工建筑物的动力响应。目前，对重力坝、拱坝、土石坝等结构已进行了近断层地震动作用下的动力分析。张社荣等[]研究了近断层地震动的方向性效应对混凝土重力坝累积损伤特性的影响规律;邹德高等[2研究了近断层地震动作用下面板堆石坝的加速度分布规律;AKKOSEM等[研究了大坝一库水一沉积物一地基多耦合模型在近断层地震动作用下位移与塑性变形的响应规律。但尚无关于近断层地震动下高拱坝塑性损伤的研究成果。鉴此，本文结合某混凝土高拱坝进行有限元计算，研究了破裂前方脉冲、滑冲脉冲和无脉冲三类不同特点的近断层地震动作用下高拱坝的损伤特性，旨在为复杂地震带地区高拱坝结构的抗震设计提供参考。

　　2混凝土塑性损伤理论

　　为了更真实地反映混凝土高拱坝在近断层地震动作用下的损伤演化规律，采用混凝土塑性损伤模型进行分析，混凝土塑性损伤模型应力应变公式[4]为：

　　用LEEJ等[5]提出的屈服函数，考虑拉伸和压缩下不同的强度演变。屈服面演化通过变量受拉塑性应变珓εtpl和受压塑性应变珓εcpl进行控制，屈服方程为：

　　塑性损伤模型的流动法则采用非关联流动法则，其塑性势函数G为：0.1;φ为混凝土屈服面在强化过程中的膨胀角。

　　3近断层地震动工程特性及选取

　　近断层地震记录(如1994年美国Northridge地震，1995年日本Kobe地震，1999年台湾集集地震等)表明，近断层地震动与远断层地震动有明显的特征差异，对结构破坏更大。为避免由于不同发震机理及地表破裂特点等其他偶然因素的影响，本文从美国太平洋地震工程研究中心数据库中选取同一地震事件中(1999年台湾Chi-Chi地震12条地震动数据。地震动持时均为90s，时间步长0.01s。按地震动类型对各数据进行分类和编号，地震动特性分类及各地震动特性参数见表1。表1中各地震动的断层距均小于15km;Tp为脉冲持时;PaA、Pov，Pa分别为地表峰值加速度、峰值速度和峰值位移;Pa，/Pa是反映速度脉冲效应的参数，通常Pav/Pa>0.2s且T>1s时速度脉冲较为显著[6]，故以此为地震动选取标准。

　　为避免加速度幅值的影响，计算时对所选地震动归一化后以加速度峰值Amx=0.2g进行调幅。图1为调幅后3种类型近断层地震动在5%阻尼比下的平均加速度反应谱和平均速度反应谱。其中图1(a)中曲线D，F、N分别为所选破裂前方脉冲、滑冲脉冲、无脉冲的均值加速度反应谱，图1(b)中曲线同样为对应的均值速度反应谱。对比图1中曲线可知，对于均值加速度反应谱，当体系周期T小于0.35s时，无脉冲地震动最大，滑冲脉冲地震动略高于破裂前方脉冲地震动;当体系周期T在0.35~0.78s时，无脉冲地震动和破裂前方地震动的均值加速度交替上升，且均明显大于滑冲脉冲地震动h值速度;当体系周期大于0.78s时，破裂前方脉冲地震动略大于滑冲脉冲地震动，且均大于无脉冲地震动。对于均值速度反应谱，3种类型近断层地震动速度大小规律与均值加速度反应谱大致相同。

　　图2为3类近断层地震动中各一条地震动的加速度时程曲线和速度时程曲线。由图2可看出，破裂前方脉冲地震动和滑冲脉冲地震动的速度时程曲线中含有明显的长周期、大幅值的脉冲效应，同时含有较大的Pov.3条地震动的加速度时程曲线有较大区别。前2种地震动有明显的单向、双向加速度脉冲。

　　4近断层地震动作用下高混凝土拱坝的损伤演化分析

　　4.1工程概况及有限元模型

　　某高混凝土双曲拱坝，最大坝高250m。正常蓄水位取235m。模型的地基范围为上下游方向、横河向的两侧及深度方向均取1倍坝高。模型共划分51387个单元，58568个节点。坐标系x向为横河向，指向上游坝面视角右岸;y向为顺河向，指向下游;2向为竖直方向。坝体沿径向设置5条横缝，横缝采用约束函数接触算法定义横缝的非线性行为[7。上游面视角坝体横缝编号见图3。坝体一地基有限元模型见图4.坝体采用混凝土塑性损伤模型，材料参数中动态弹性模量为30GPa，密度2400kg/m"，泊松比0.167，动态抗拉强度2.64MPa，横缝间摩擦系数为0.75;基岩为线弹性材料，基岩材料参数中弹性模量为20GPa，密度2700kg/m"，泊松比0.25，粘聚力2.0MPa，本文仅探讨不同近断层地震动对高拱坝动力响应影响规律，因此重点考虑水平向地震动输入，用等效一致粘弹性边界单元[]模拟拱坝远场地基的辐射阻尼效应。沿模型边界面外法向延伸一层厚度相等的实体单元替代离散的弹簧一阻尼元件。将选取的近断层地震动作为输入波。模型采用附加质量法模拟动水作用。正常蓄水位下的模态基频为1.2851Hz，第2阶频率为1.4418Hz.瑞丽阻尼的质量矩阵系数a为0.4267，刚度矩阵系数B为0.00584.

　　4.2近断层地震动对拱坝损伤累积破坏效应的影响

　　图5为3种类型近断层地震动作用下拱坝的损伤分布，工况编号与地震动对应。由图5可看出，不同工况下均是坝体与基岩交界处及坝体中部出现不同程度的损伤破坏，损伤的最大值也均出现在坝体与基岩的交界处和坝体中部。其中拱端的上游侧、坝踵处及下游坝面中部损伤值相对较大。并且损伤分布规律具有一定对称性。

　　对比3类地震动的损伤区域可明显看出，破裂前方脉冲地震动对拱坝坝体造成的损伤最为严重，无脉冲地震动对坝体的损伤破坏次之，滑冲脉冲地震动对坝体的损伤破坏最小。其中，破裂前方脉冲地震动工况中，坝踵和坝肩出现损伤区域后，二者损伤区域沿坝体与基岩交界面呈汇集趋势，同时坝体上游面视角的左、右1/4拱圈的中上部及下游面视角的坝体中部均出现片状分布损伤，损伤部位有沿横缝分布的趋势，且下游坝面的损伤明显大于上游坝面，坝体与基岩交界处的上游侧损伤明显大于下游侧。部分工况的拱冠梁位置也出现轻微损伤。值得注意的是，坝体上下游坝面出现损伤的区域是各自发展的，且损伤程度差异较大。这是由于正常水位条件下输入地震动后，该拱坝的上游面左、右1/4拱圈的中上部高程主要以高压应力为主，而下游面的中部高程主要以高拉应力为主，损伤结果符合混凝土的拉压特性。另外，地震中由于横缝的开合行为会显著引起坝体应力的重新分布，削弱了拱应力，增大了梁向应力。从而导致损伤区域发展受横缝影响较大，呈现一定的沿横缝分布的规律。对于滑冲脉冲地震动工况，坝体损伤区域很小，主要位于坝体与基岩交界处;对于无脉冲地震动工况，拱坝的损伤规律与破裂前方脉冲基本工况一致，其损伤值介于其他两类地震动工况之间。

　　4.3拱坝坝体耗能特征

　　大坝结构损伤的演化过程与其塑性耗能和损伤耗能的演化过程密切相关。因此，了解拱坝在近断层地震动作用下的能量变化，对研究重力坝的损伤破坏有重要意义。本文从损伤耗能和塑性耗能两个耗能指标进行研究。不同工况下，地震动作用结束时坝体损伤耗能和塑性耗能特征见表2。由表2可看出，不同近断层地震动类型及不同记录台站记录的地震动引起的混凝土拱坝的塑性耗能与损伤耗能相差明显。3种类型近断层地震动造成的耗能对比表明，破裂前方脉冲造成的坝体耗能最大，无脉冲次之，滑冲脉冲最小。为便于对比，将滑冲脉冲的塑性耗能值和损伤耗能相对值定为1，则破裂前方脉冲地震动引起的塑性耗能和损伤耗能相对值为19.17.12.78，无脉冲地震动引起的塑性耗能和损伤耗能相对值为7.70，6.96，可见塑性耗能反映的能量耗散差异比损伤耗能更加显著。

　　4.4拱坝坝体变形特征

　　表3为3种类型近断层地震动拱坝上游面坝顶正中点相对于坝踵处垂直对应点顺河向的位移在所有工况下的幅值S1、最大值绝对值52及地震作用引起的残余位移L。由表3可看出，3种近断层的地震动响应依然符合破裂前方脉冲地震

　　动最大，无脉冲地震动次之，滑冲脉冲地震动最小的规律。

　　S1、S2反映了地震过程的响应剧烈程度，属于过程量，具有一定随机性，但同类地震动均值亦明显符合所述规律;L则反映了地震结束时的坝体变型，为累计效应结果。同类地震动L均值反映表明3种地震动的差异更加显著。

　　5结论

　　a.分析了3类近断层地震动作用下混凝土高拱坝的损伤程度、坝体耗能和位移响应，均具有破裂前方脉冲地震动最大、无脉冲地震动次之、滑冲脉冲地震动最小的规律。

　　b.坝体损伤较大的工况中，损伤区域主要集中在拱端上游侧、坝踵处、坝体上游面左、右1/4拱圈的中上部以及坝体下游面的中部。

　　c.破裂前方脉冲地震动对混凝土高拱坝结构的地震响应有显著影响，在进行混凝土高拱坝的抗震安全分析与研究时需重点关注。

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　　Abstract: A number of concrete high arch dams have been built or to be built in Western China, many of which are located in complex seismic fault zones. These areas are more prone to near field strong earthquakes, which may cause serious damage to high arch dams. Therefore, it is necessary to study the damage characteristics of high arch dams under near fault ground motions. Considering the plastic damage and the nonlinearity of transverse joints, the nonlinear dynamic finite element model of a high arch dam is established. Twelve near fault ground motions with forward-directivity pulse, ling-step pulse and pulse-free ground motion are selected as input waves from PEER strong motion database. The dynam ic response of high concrete arch dam is studied from the aspects of damage law, energy consumption characteristics and displacement response of the midpoint of the dam crest. The results show that the damage, energy dissipation and displacement response of arch dam under the action of forward-directivity pulse are the largest, followed by pulse-free ground motion, and the fling-step pulse is the smallest; The damage of the dam body and seismic response caused by forward-directivity pulse and pulse-free ground motion are large and should be paid attention; The damage of dam body under the ac tion of fling-step pulse can be ignored.

　　Key words: near-fault ground motion; forward-directivity pulse; fling-step pulse; pulse-free ground motion; plastid damage; high arch dam