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1、第 20 卷第 5 期工 程 力 学Vol. 20 No.5 2003 年 10 月ENGINEERING MECHANICSOct. 2003 收稿日期2002-05-01修改日期2002-06-28 作者简介杜成斌(1965)男江苏盐城人教授博士从事水工结构工程中的力学问题研究; 苏擎柱(1977)男浙江宁波人硕士生从事结构工程研究 文章编号1000-4750(2003)05-0170-04 混凝土坝地震动力损伤分析 杜成斌苏擎柱 (河海大学土木工程学院南京 210098) 摘 要基于塑性损伤本构理论将损伤变量作为内变量在 Drucker-Prager 本构模型中引入损伤变量考虑材 料损伤
2、引起的材料劲度的退化基于非关联流动法则计算材料的塑性应变根据材料的有效塑性应变计算损伤 量考虑到张开裂缝闭合时材料弹性劲度的恢复推导了考虑塑性损伤的混凝土动态本构关系并给出了内变量 的计算步骤和动力方程的迭代格式 最后利用建立的动态本构模型对 Koyna 重力坝进行了非线性地震响应时程分 析并给出了关键时刻坝体最大受拉损伤分布结果表明在坝颈和坝基处出现了较大的损伤坝颈处的损伤最终 形成由下游向上游的开裂破坏这与该坝的实际震害较为一致 关键词塑性损伤混凝土重力坝本构模型非线性地震分析 中图分类号TV642.3, TV312 文献标识码A DYNAMIC DAMAGE OF CONCRETE GR
3、AVITY DAMS UNDER EARTHQUAKE EXCITATION DU Cheng-bin , SU Qing-zhu (College of Civil and Engineering, Hohai University, Nanjing 210098, China) Abstract: A new plastic-damage constitutive model for cyclic loading of concrete has been developed for the seismic analysis of concrete dams based on plastic
4、-damage theory. Damage variable is used as an internal variable, which is included in the Drucker-Prager yield function. Stiffness degradation induced by material damage is considered in the model. The plastic strain rate is obtained according to the nonassociative flow rule. Damage evolution is det
5、ermined by effective plastic strain. The crack opening/closing behavior is modeled as elastic stiffness recovery during elastic unloading from a tensile state to a compressive state. The main steps of the algorithm for the internal variable and nonlinear dynamic equation are presented in the paper.
6、The plastic-damage model is used to evaluate the response of Koyna dam, and maximum damage distributions at different time are given in the analysis. The analysis shows that there occur two localized large tensile damages, one is at the change of downstream slope, and the other is at upper region of
7、 the bottom. Crack failure is formed from the downstream at the change of slope to upper of the dam at last. The evolution of damage is consistent with the observed cracking in the dam. Key words: plastic-damage; concrete gravity dams; constitutive model; nonlinearity; seismic analysis 1 引言 混凝土是由骨料水
8、泥砂浆和二者间的粘结带 组成的三相材料材料宏观上的破坏行为实际上是 由于细观尺度上的损伤和断裂行为的积累和发 展混凝土的破坏过程实际上是内部裂缝萌生扩 展贯通近而失稳的过程地震荷载作用下的混凝 土的失效更是如此采用损伤力学研究混凝土的动 万方数据 混凝土坝地震动力损伤分析171 态破坏行为已逐渐为广大研究者所接受自从印度 的 Koyna 重力坝在 1967 年 12 月 11 日遭受 0.5g 地 震作用大坝颈部出现开裂破坏以后对强震作用 下混凝土重力坝的非线性地震响应分析已越来越 引起人们的重视J Lee 和 G L Fenves (1998)基于混 凝土的断裂能分别用受拉和受压损伤两个变量
9、来 描述混凝土不同损伤状态屈服函数用多个硬化变 量来修正并采用该模型对 Koyna重力坝进行了非 线性地震响应分析得到了与实际震害较为一致的 结果1该模型的缺点是待标定的参数较多M Yazdchi和 N Khalili (1999)等采用各向异性损伤模型 对 Koyna 重力坝的模型(坝高 15m底 10m顶部 2m)进行了非线性地震响应分析该模型采用等效 应变能假定来确定损伤参数2本文基于塑性损伤 本构理论将损伤变量作为内变量在 Drucker- Prager 本构模型中引入损伤变量考虑材料损伤引 起的材料劲度的退化推导了考虑塑性损伤的混凝 土动态本构关系并给出了内变量的计算步骤最 后利用建
10、立的本构模型对 Koyna重力坝进行了非线 性地震响应分析 2 塑性损伤的混凝土动力本构模型 在塑性增量理论中应变张量 ij 可以分解为弹 性部分 e ij 和塑性部分 p ij p ij e ijij += (1) 其中弹性部分可由虎克定律给出 kl e ijkl e ij D= (2) 式中 e ijkl D为四阶张量 kl 为二阶张量有效应力 ij 可用无损伤的弹性劲度根据式(1)定义 )( 0p kl klijklij D= (3) 式中 0 ijkl D为初始弹性劲度张量类似损伤力学中的 退化损伤概念可将应力分解为劲度退化和有效应 力 )()1 ()1 ( 0p kl klijkli
11、jij D= (4) 式中为标量的损伤参数, 数值在 0-1 之间 塑性应变率可以通过流动法则来计算定义标 量的塑性势函数为对于有效应力空间表示的塑 性势函数塑性应变率可给出 ij ij p ij = )( N Khalili;S Valliappam Nonlinear Seismic behaviour of concrete gravity dams using coupled finite element- boundary element technique外文期刊 1999 3.Zhou X;Fan S C;Tan G E B Numerical simulation of pro
12、jectile perforation of a concrete panel外文会议 2001 4.Mazars J A description of micro-and macro-scale damage of concrete structures外文期刊 1986(05) 5.杜成斌;马良筠;任青文 有缝高拱坝的非线性地震响应分析期刊论文-河海大学学报(自然科学版) 1999(06) 本文读者也读过(9条)本文读者也读过(9条) 1. 杜荣强.林皋.胡志强.DU Rong-qiang.LIN Gao.HU Zhi-qiang 混凝土重力坝动力弹塑性损伤安全评价期刊论文-水利学报 20
13、06,37(9) 2. 邱战洪.张我华.任廷鸿.QIU Zhan-hong.ZHANG Wo-hua.REN Ting-hong 地震荷载作用下大坝系统的非线性动力损伤分析期刊论文- 水利学报2005,36(5) 3. 杜荣强.林皋.王德信 混凝土坝地震安全评价的非线性损伤力学方法研究会议论文-2006 4. 袁野 损伤指标法用于混凝土拱坝损伤位置识别的研究学位论文2006 5. 徐俊祥.刘西拉.XU Jun-xiang.LIU Xi-la 混凝土初始损伤模拟和在混凝土重力坝抗震分析中的应用期刊论文-上海交通大学学报 2006,40(6) 6. 邱战洪.罗元丰.QIU Zhan-hong.LU
14、O Yuan-feng 动力损伤力学基本理论的研究分析期刊论文-台州学院学报2007,29(3) 7. 徐道远.王向东.朱为玄.王振波.邓爱民 混凝土坝的损伤及损伤仿真计算期刊论文-河海大学学报(自然科学版)2002,30(4) 8. 艾亿谋.杜成斌.洪永文.AI Yi-mou.DU Cheng-bin.HONG Yong-wen 考虑应变速率影响的混凝土重力坝非线性地震响应分析期刊论文 -防灾减灾工程学报2007,27(3) 9. 武清玺.卓家寿 二次序列响应面法分析重力坝的动力可靠度期刊论文-振动工程学报2001,14(2) 引证文献(15条)引证文献(15条) 1.苏炳煌 汉中市洋县酉水
15、电站重力坝的强度和稳定性分析期刊论文-中国水运（下半月） 2013(10) 2.杜荣强.林皋.章青.陈士海.李云锋.王海超 大岗山高拱坝强地震作用下损伤破坏分析期刊论文-计算力学学报 2009(3) 3.李鸿波.张我华.陈云敏 爆炸冲击荷载作用下重力坝三维各向异性脆性动力损伤有限元分析期刊论文-岩石力学与工程学报 2006(8) 4.贾超.刘凯.高凤 基于Kanai-Tajimi模型的重力坝随机地震分析期刊论文-水力发电 2013(1) 5.范书立.陈明阳.陈健云.柴换成 基于能量耗散碾压混凝土重力坝地震损伤分析期刊论文-振动与冲击 2011(4) 6.曹震.陈娜.魏鹏.吴迪 强烈地震作用下混
16、凝土重力坝损伤破坏分析期刊论文-中国水运(理论版) 2007(12) 7.邱战洪.罗元丰 动力损伤力学基本理论的研究分析期刊论文-台州学院学报 2007(3) 8.艾亿谋.杜成斌.洪永文 考虑应变速率影响的混凝土重力坝非线性地震响应分析期刊论文-防灾减灾工程学报 2007(3) 9.庄海洋.宰金珉.陈国兴 土-地下结构的非线性动力相互作用理论及应用期刊论文-自然灾害学报 2006(6) 10.徐俊祥.刘西拉 混凝土初始损伤模拟和在混凝土重力坝抗震分析中的应用期刊论文-上海交通大学学报 2006(6) 11.韦先锋.彭刚.姚艳华 基于不同本构模型的拱坝地震响应分析期刊论文-水力发电 2010(4) 12.李鸿波 混凝土大坝各向异性脆性动力损伤问题的三维有限元程序与分析学位论文硕士 2006 13.顾培英.邓昌.汤雷 水工混凝土结构局部损伤劣化系数研究期刊论文-水利与建筑工程学报 2013(3) 14.张静 混凝土拱坝抗震性能的数值模拟分析学位论文硕士 2005 15.邱战洪 非线性动力损伤力学理论及其数值分析模型学位论文博士 2005