特高拱坝坝面钢筋抗震效果研究

时间:2022-06-30 03:16:23

特高拱坝坝面钢筋抗震效果研究

摘要:特高拱坝在强烈地震作用下坝体横缝易于张开,拱梁应力重新分配,影响拱坝整体性和抗震安全性。以大岗山特高拱坝为工程背景,采用三维非线性有限元数值分析方法,对坝体中上部布设拱向跨缝钢筋、梁向限裂钢筋抗震措施的效果进行分析。研究结果表明:拱向跨缝钢筋对控制横缝张开度效果较为显著,梁向钢筋对抑制大坝地震损伤效果十分显著,研究成果为指导工程设计提供了理论依据。

关键词:特高拱坝;拱坝抗震钢筋;抗震设计;非线性有限元

1研究背景

为提高强震区200m以上特高拱坝的抗震性能,降低水库的安全风险,在大坝抗震措施中需采取必要的非工程措施和工程措施。其中非工程抗震措施包括大坝地震安全预警系统、坝体及坝肩结构性能监测系统、大坝安全事故应急措施以及大坝管理人员培训等;工程抗震措施包括拱坝体形优化、坝基交接面附近设置底缝和周边缝、配置抗震钢筋、横缝间布设阻尼器、设置适应横缝张开大变形的止水、坝体上部设置预应力钢索、优化坝体混凝土强度等级分区以及两岸坝肩岩体的抗滑稳定措施等[1-4]。近年来诸多研究表明,特高拱坝的横缝在强烈地震作用下很容易张开,而且坝址河谷宽深比越大,横缝张开的可能性和开度也越大。横缝张开可能导致缝间止水的破坏和拱梁应力的重新分配,降低拱的作用,增大梁向应力,影响拱坝的整体性和抗震安全性。因此,采取抗震措施控制横缝的张开度、增强坝体梁向抗裂能力是特高拱坝抗震设计的重点,而在大坝中上部配置拱向跨缝钢筋、梁向限裂钢筋是最为直接的措施[5-10]。朱伯芳[11]提出了跨横缝钢筋的设计准则和设计方法;张楚汉等[12]论证了横缝配筋控制措施的可行性和可靠性;龙渝川等[13]研究指出拱坝梁向配筋可以降低地震作用下拱坝的横缝开度与拱向位移,限制沿坝厚方向的裂缝扩展范围,因而有助于提高拱坝的抗震安全性能。溪洛渡、锦屏一级和小湾拱坝均采取了坝面布设钢筋的抗震措施[14]。大渡河大岗山混凝土双曲拱坝最大坝高210m,大坝体形特征参数和技术指标见表1[15]。坝址区域构造稳定性较差,地质条件十分复杂,地震活动性强烈,大坝水平向设计地震动峰值加速度高达0.5575g,为世界高拱坝之最[16]。振动台动力模型试验与数值分析均表明:大坝上游面顶部拱冠部位、中部高程部位以及坝体-基础交接面附近的静动综合应力水平较高,均是抗震安全的薄弱部位[17]。本文以大岗山特高拱坝为工程背景,采用三维非线性有限元数值分析方法,对坝体中上部布设拱向跨横缝钢筋、梁向限裂钢筋的抗震效果进行论证,研究成果可为特高拱坝坝面抗震钢筋的设计提供参考。

2计算原理与计算条件

2.1本构模型。2.1.1混凝土模型。坝体混凝土采用Lee和Fenves提出的塑性损伤模型[18],该模型基于连续损伤力学与塑性理论,可以模拟刚度退化变量与本构关系的塑性变形非耦联的、适用于循环加载的混凝土塑性损伤,采用两个损伤变量分别描述不同损伤状态下的张拉与受压破坏。沈怀至等[19]采用该模型研究了混凝土坝体地震开裂以及配筋后的抗震性能,并以Koyna坝为例验证了配筋抗震措施的有效性。考虑到高拱坝受到强地震荷载作用时,坝体的抗震安全性以拉应力为控制指标,而压应力一般不会达到抗压强度,因此在分析中仅考虑混凝土的张拉软化,不考虑混凝土因受压而引起的刚度退化。混凝土线性软化关系曲线如图1所示。当混凝土承受的拉应力未达到极限抗拉强度时,混凝土处于线弹性阶段;达到极限抗拉强度后,混凝土刚度退化,处于软化阶段;在软化阶段某点卸载,沿着退化后的刚度卸载,卸载到零后,残留有包括微裂纹在内的不可恢复的应变;再加载时,沿着卸载路径加载。εu为极限拉应变,εe为弹性应变,εp为塑性应变,ft为混凝土单轴抗拉强度,Gf为断裂能,lh为单元特征尺寸,取为单元积分点所控制体积的立方根值。软化以后的刚度见式(1):E=(1-d)E0(1)式中,E0和E分别表示初始刚度和软化以后的刚度;d为损伤因子,0≤d≤1,当d=0表示混凝土处于线弹性,d=1表示完全破坏,刚度退化为零。2.1.2横缝接触模型。由于横缝设有键槽,在模拟时不考虑缝面切向的剪切滑移,只考虑缝面法向在地震过程中的开合效应。拱坝横缝面的法向相对位移vi和缝应力qi之间为非线性关系,横缝抗拉强度对坝体非线性反应几乎无影响[20],因此在模拟拱坝横缝力学行为时忽略横缝的抗拉强度,qi和vi满足[5]:qi=kivivi≤00vi>{0(2)式中,ki为缝闭合时的刚度。2.1.3横缝配筋模型。跨横缝钢筋由横缝两侧的钢筋自由段(钢筋与周围混凝土脱开)和锚入坝体混凝土内的粘结段组成,因不考虑钢筋与混凝土的滑移,由自由段变形控制了横缝的开度[5-8]。采用传统钢筋混凝土有限元理论中的整体式模型来模拟钢筋的宏观效果,即将横缝的钢筋面积弥散于钢筋所处的横缝缝面单元的节点上,采用点-点模型,通过在接触点对法向上增加一个与分布钢筋等效的弹簧值来表示钢筋作用。钢筋采用理想弹塑性模型,其等效弹簧值为Fs=KnsΔL(3)Kns=EsA0/l(4)式中,Kns为缝面单元上钢筋等效弥散刚度,ΔL为横缝开度,Es为钢筋的弹模,A0为单元接触面上的钢筋截面面积总和,l为缝面两侧钢筋总的自由段长度,本文自由段长度取为4m[7]。2.2有限元模型。基于大型通用有限元软件ABAQUS及二次开发进行计算。模型模拟了坝体全部28条横缝;坝基为无质量截断地基,模拟为非均匀弹性介质;地震荷载为抗震设计规范谱反演人工地震波。设计地震反应谱采用《水工建筑物抗震设计规范》规定的标准谱,概率水准为100a超越概率2%,水平向最大峰值加速度为0.5575g,竖向取为水平向值的2/3,地震由截断地基边界三向均匀输入。为重点模拟坝体中上部可能发生的损伤断裂行为,对坝体中上部单元离散网格进行了细化。细化范围沿横河向约为240m,沿高度方向从坝顶往下约63m,大体涵盖了按线弹性材料计算得到的大坝高拉应力区范围。该部位单元沿坝面方向尺寸控制在2.0m左右,以便能较好地表征混凝土发生损伤断裂后的软化现象。模型如图2所示。低水位是地震过程中坝体横缝张开的控制工况,对于拱坝抗震安全极为不利,因此选择库水位为死水位1120m进行计算,此时水库深195m。静荷载为分缝自重+水压力+泥沙压力+设计温升。

3拱向跨缝钢筋抗震效果分析

3.1计算方案。共考虑了3个横缝配筋方案,即由坝顶向下分别在15,30,50m范围内的配置由左岸至右岸通长的跨横缝钢筋(分别记为方案1~3),上、下游坝面沿厚度方向各配置2排φ40钢筋,间距为50cm,钢筋采用Ⅲ级钢,弹性模量取为200GPa。3.2结果分析。设置跨横缝钢筋前后的应力和横缝最大开度极值计算成果如表2所示。由位移成果可知,配置跨横缝钢筋后(梁向配置分布钢筋),大坝位移分布规律及位移最大值均未发生明显变化,与文献[5]与[21]中对拱坝跨横缝配筋后的研究结果一致。配置跨横缝钢筋后,最大开度分布曲线的规律和极值发生了明显变化,峰值位置由左岸坝肩转移到拱冠梁附近,但总体上各横缝最大开度值沿顶拱分布趋于平缓。从量值来看,配置横缝钢筋后整体开度值均显著降低,对各配筋方案,横缝最大开度由无筋工况的18.67mm分别减小到13.27,11.65,10.85mm。配置跨横缝钢筋后,应力分布的规律和极值没有发生明显变化。由于跨横缝钢筋对横缝拱向的约束作用,使得拱向的拉应力极值略有增加,而梁向拉应力得到一定程度的改善,但量值变化幅度都比较小。综合比较横缝开度和应力计算结果可得:横缝钢筋对于控制横缝张开度有一定的作用,但对坝体应力的改善,特别是对梁向拉应力的减小作用较微弱,最多不超过5%。

4梁向限裂钢筋抗震效果分析

4.1计算方案。坝体梁向布置钢筋与拱向布置的分布钢筋形成钢筋网。梁向配置φ40的钢筋,间距取30cm,拱向配置φ28的分布钢筋,间距为50cm。计算了以下3种不同的方案,对配置梁向钢筋的抗震加固效果进行比较分析:①不配置梁向钢筋;②方案1,高应力区配置上游3排下游3排的梁向钢筋;③方案2,高应力区配置上游3排下游4排的梁向钢筋。4.2结果分析。各方案计算坝体沿顶拱最大动位移分布曲线如图3所示。由图3可以看出:配筋后坝体向上游的位移有非常明显的减小,向下游位移变化不大。说明梁向配筋很大程度上增强了拱坝的整体性。设置梁向钢筋后,横缝开度总体规律没有本质变化,但各横缝开度的量值有不同程度的减小,说明梁向配筋明显加强了坝体的整体刚度。方案1开度最大的横缝位置由不配筋的拱冠梁附近转移到两侧坝肩部位,最大横缝开度由18.67mm减小到13.82mm。两个配筋方案对横缝开度的影响差异较小。3个方案上下游坝面及拱冠梁截面的损伤断裂随地震荷载作用时间的发展演化过程如表3所示。上下游坝面损伤断裂区如图4~6所示。拱冠梁截面的损伤断裂区分布比较如图7所示。计算结果表明:(1)在不配置梁向钢筋条件下,地震结束后坝体中上部的混凝土出现了较大范围的损伤,该部位恰好对应基于线弹性材料考虑横缝非线性计算所得的高拉应力区。从图7(a)也能看出,在坝厚方向损伤已经贯穿了上下游,最大损伤因子达到了0.94。由损伤区随着地震荷载作用时程的发展来看,损伤都是最先出现在拉应力水平较高的下游坝面中上部。随着地震的发展,损伤区向四周和向上游面扩展,在t=8s时上下游面损伤区基本贯穿。(2)在配筋方案1条件下,损伤区的出现还是从坝体中上部的下游面开始,但随着地震时程的发展,损伤区扩展程度得到明显缓和,到t=8s时刻,损伤区就已经基本稳定,此时只在靠近下游面约1/3坝厚的很小范围内有损伤出现,损伤因子也由不配筋条件下的0.94减小到0.20。(3)在配筋方案2条件下,坝体损伤情况进一步得到缓解,到t=8s时刻,损伤区基本稳定。此时只在下游面很小范围内有损伤出现,沿坝厚方向损伤因子大于0.10的损伤区域基本是在很靠近下游坝面很小的范围。综合3个方案计算结果可知:在坝体中上部配置上、下游坝面梁向钢筋(实际形成钢筋网),对抑制大岗山拱坝因地震荷载作用而发生损伤断裂具有显著效果。

5结语

(1)配置跨横缝钢筋对于大坝横缝张开度的控制效果较为显著。对于大岗山拱坝,如果在坝体中上部布设跨横缝钢筋,不同方案可使横缝最大开度减小29%~42%以上,但对拱坝梁向的高拉应力改善效果不明显。(2)在坝体中上部配置上下游坝面梁向钢筋,对抑制坝体混凝土因地震荷载作用而发生损伤断裂的效果十分显著。拱坝上下游坝面配置3排梁向钢筋,使得原来上下游贯通的损伤区基本上缩小为只是靠近下游坝面约1/2坝厚的范围内,最大损伤因子也由不配筋条件下的0.94减小到0.20。另外,配筋使最大横缝开度减小了约26%,由18.67mm减小至13.82mm。(3)本文对大岗山高拱坝配置跨横缝钢筋及梁向限裂钢筋的抗震措施效果进行了敏感性分析及评价,对指导工程设计具有一定的参考价值,但因未考虑无限地基辐射阻尼对地震效应的削弱作用,因此计算成果比实际坝体地震响应有所偏大。

作者:李方平 单位:国电金沙江旭龙(奔子栏)水电开发有限公司