《近斷層地震動作用下混凝土高拱壩損傷特性研究》論文發表期刊：《

水電能源科學

《近斷層地震動作用下混凝土高拱壩損傷特性研究》論文作者信息：作者簡介：唐彧杰（1994－），男，碩士研究生，研究方向為水工結構抗震。通訊作者：張燎軍（1962－），男，教授、博導，研究方向為水工結構抗震。

　　摘要：我國西部地區已建或擬建一批混凝土高拱壩，其中許多位于結構復雜的地震斷裂帶，更易發生近場強震，可能引起高拱壩的嚴重損傷，因而有必要分析近斷層地震動作用下高拱壩的損傷特性。考慮拱壩壩體的橫縫及塑性損傷，建立某高拱壩的動力非線性有限元模型。從PEER強震數據庫選取12條包括破裂前方脈沖、滑沖脈沖和無脈沖的近斷層地震動作為輸入波，分別從損傷破壞規律、耗能特點和壩頂中點位移響應等方面探討其對混凝土高拱壩動力響應的規律。研究結果表明，破裂前方脈沖地震動作用下拱壩的損傷破壞、能量耗散及位移響應均最大，無脈沖地震動次之，滑沖脈沖最小;破裂前方脈沖和無脈沖地震動引起的壩體損傷和地震響應較大，應予以重視;滑沖脈沖作用下壩體的損傷破壞可忽略不計。

　　關鍵詞：近斷層地震動;破裂前方脈沖;滑沖脈沖;無脈沖;塑性損傷模型;高拱壩

　　1引言

　　我國水電資源主要集中于西部，且大多處于近場強震高發地帶，因而有必要研究近斷層地震動作用下水工建筑物的動力響應。目前，對重力壩、拱壩、土石壩等結構已進行了近斷層地震動作用下的動力分析。張社榮等[]研究了近斷層地震動的方向性效應對混凝土重力壩累積損傷特性的影響規律;鄒德高等[2研究了近斷層地震動作用下面板堆石壩的加速度分布規律;AKKOSEM等[研究了大壩一庫水一沉積物一地基多耦合模型在近斷層地震動作用下位移與塑性變形的響應規律。但尚無關于近斷層地震動下高拱壩塑性損傷的研究成果。鑒此，本文結合某混凝土高拱壩進行有限元計算，研究了破裂前方脈沖、滑沖脈沖和無脈沖三類不同特點的近斷層地震動作用下高拱壩的損傷特性，旨在為復雜地震帶地區高拱壩結構的抗震設計提供參考。

　　2混凝土塑性損傷理論

　　為了更真實地反映混凝土高拱壩在近斷層地震動作用下的損傷演化規律，采用混凝土塑性損傷模型進行分析，混凝土塑性損傷模型應力應變公式[4]為：

　　用LEEJ等[5]提出的屈服函數，考慮拉伸和壓縮下不同的強度演變。屈服面演化通過變量受拉塑性應變珓εtpl和受壓塑性應變珓εcpl進行控制，屈服方程為：

　　塑性損傷模型的流動法則采用非關聯流動法則，其塑性勢函數G為：0.1;φ為混凝土屈服面在強化過程中的膨脹角。

　　3近斷層地震動工程特性及選取

　　近斷層地震記錄(如1994年美國Northridge地震，1995年日本Kobe地震，1999年臺灣集集地震等)表明，近斷層地震動與遠斷層地震動有明顯的特征差異，對結構破壞更大。為避免由于不同發震機理及地表破裂特點等其他偶然因素的影響，本文從美國太平洋地震工程研究中心數據庫中選取同一地震事件中(1999年臺灣Chi-Chi地震12條地震動數據。地震動持時均為90s，時間步長0.01s。按地震動類型對各數據進行分類和編號，地震動特性分類及各地震動特性參數見表1。表1中各地震動的斷層距均小于15km;Tp為脈沖持時;PaA、Pov，Pa分別為地表峰值加速度、峰值速度和峰值位移;Pa，/Pa是反映速度脈沖效應的參數，通常Pav/Pa>0.2s且T>1s時速度脈沖較為顯著[6]，故以此為地震動選取標準。

　　為避免加速度幅值的影響，計算時對所選地震動歸一化后以加速度峰值Amx=0.2g進行調幅。圖1為調幅后3種類型近斷層地震動在5%阻尼比下的平均加速度反應譜和平均速度反應譜。其中圖1(a)中曲線D，F、N分別為所選破裂前方脈沖、滑沖脈沖、無脈沖的均值加速度反應譜，圖1(b)中曲線同樣為對應的均值速度反應譜。對比圖1中曲線可知，對于均值加速度反應譜，當體系周期T小于0.35s時，無脈沖地震動最大，滑沖脈沖地震動略高于破裂前方脈沖地震動;當體系周期T在0.35~0.78s時，無脈沖地震動和破裂前方地震動的均值加速度交替上升，且均明顯大于滑沖脈沖地震動h值速度;當體系周期大于0.78s時，破裂前方脈沖地震動略大于滑沖脈沖地震動，且均大于無脈沖地震動。對于均值速度反應譜，3種類型近斷層地震動速度大小規律與均值加速度反應譜大致相同。

　　圖2為3類近斷層地震動中各一條地震動的加速度時程曲線和速度時程曲線。由圖2可看出，破裂前方脈沖地震動和滑沖脈沖地震動的速度時程曲線中含有明顯的長周期、大幅值的脈沖效應，同時含有較大的Pov.3條地震動的加速度時程曲線有較大區別。前2種地震動有明顯的單向、雙向加速度脈沖。

　　4近斷層地震動作用下高混凝土拱壩的損傷演化分析

　　4.1工程概況及有限元模型

　　某高混凝土雙曲拱壩，最大壩高250m。正常蓄水位取235m。模型的地基范圍為上下游方向、橫河向的兩側及深度方向均取1倍壩高。模型共劃分51387個單元，58568個節點。坐標系x向為橫河向，指向上游壩面視角右岸;y向為順河向，指向下游;2向為豎直方向。壩體沿徑向設置5條橫縫，橫縫采用約束函數接觸算法定義橫縫的非線性行為[7。上游面視角壩體橫縫編號見圖3。壩體一地基有限元模型見圖4.壩體采用混凝土塑性損傷模型，材料參數中動態彈性模量為30GPa，密度2400kg/m"，泊松比0.167，動態抗拉強度2.64MPa，橫縫間摩擦系數為0.75;基巖為線彈性材料，基巖材料參數中彈性模量為20GPa，密度2700kg/m"，泊松比0.25，粘聚力2.0MPa，本文僅探討不同近斷層地震動對高拱壩動力響應影響規律，因此重點考慮水平向地震動輸入，用等效一致粘彈性邊界單元[]模擬拱壩遠場地基的輻射阻尼效應。沿模型邊界面外法向延伸一層厚度相等的實體單元替代離散的彈簧一阻尼元件。將選取的近斷層地震動作為輸入波。模型采用附加質量法模擬動水作用。正常蓄水位下的模態基頻為1.2851Hz，第2階頻率為1.4418Hz.瑞麗阻尼的質量矩陣系數a為0.4267，剛度矩陣系數B為0.00584.

　　4.2近斷層地震動對拱壩損傷累積破壞效應的影響

　　圖5為3種類型近斷層地震動作用下拱壩的損傷分布，工況編號與地震動對應。由圖5可看出，不同工況下均是壩體與基巖交界處及壩體中部出現不同程度的損傷破壞，損傷的最大值也均出現在壩體與基巖的交界處和壩體中部。其中拱端的上游側、壩踵處及下游壩面中部損傷值相對較大。并且損傷分布規律具有一定對稱性。

　　對比3類地震動的損傷區域可明顯看出，破裂前方脈沖地震動對拱壩壩體造成的損傷最為嚴重，無脈沖地震動對壩體的損傷破壞次之，滑沖脈沖地震動對壩體的損傷破壞最小。其中，破裂前方脈沖地震動工況中，壩踵和壩肩出現損傷區域后，二者損傷區域沿壩體與基巖交界面呈匯集趨勢，同時壩體上游面視角的左、右1/4拱圈的中上部及下游面視角的壩體中部均出現片狀分布損傷，損傷部位有沿橫縫分布的趨勢，且下游壩面的損傷明顯大于上游壩面，壩體與基巖交界處的上游側損傷明顯大于下游側。部分工況的拱冠梁位置也出現輕微損傷。值得注意的是，壩體上下游壩面出現損傷的區域是各自發展的，且損傷程度差異較大。這是由于正常水位條件下輸入地震動后，該拱壩的上游面左、右1/4拱圈的中上部高程主要以高壓應力為主，而下游面的中部高程主要以高拉應力為主，損傷結果符合混凝土的拉壓特性。另外，地震中由于橫縫的開合行為會顯著引起壩體應力的重新分布，削弱了拱應力，增大了梁向應力。從而導致損傷區域發展受橫縫影響較大，呈現一定的沿橫縫分布的規律。對于滑沖脈沖地震動工況，壩體損傷區域很小，主要位于壩體與基巖交界處;對于無脈沖地震動工況，拱壩的損傷規律與破裂前方脈沖基本工況一致，其損傷值介于其他兩類地震動工況之間。

　　4.3拱壩壩體耗能特征

　　大壩結構損傷的演化過程與其塑性耗能和損傷耗能的演化過程密切相關。因此，了解拱壩在近斷層地震動作用下的能量變化，對研究重力壩的損傷破壞有重要意義。本文從損傷耗能和塑性耗能兩個耗能指標進行研究。不同工況下，地震動作用結束時壩體損傷耗能和塑性耗能特征見表2。由表2可看出，不同近斷層地震動類型及不同記錄臺站記錄的地震動引起的混凝土拱壩的塑性耗能與損傷耗能相差明顯。3種類型近斷層地震動造成的耗能對比表明，破裂前方脈沖造成的壩體耗能最大，無脈沖次之，滑沖脈沖最小。為便于對比，將滑沖脈沖的塑性耗能值和損傷耗能相對值定為1，則破裂前方脈沖地震動引起的塑性耗能和損傷耗能相對值為19.17.12.78，無脈沖地震動引起的塑性耗能和損傷耗能相對值為7.70，6.96，可見塑性耗能反映的能量耗散差異比損傷耗能更加顯著。

　　4.4拱壩壩體變形特征

　　表3為3種類型近斷層地震動拱壩上游面壩頂正中點相對于壩踵處垂直對應點順河向的位移在所有工況下的幅值S1、最大值絕對值52及地震作用引起的殘余位移L。由表3可看出，3種近斷層的地震動響應依然符合破裂前方脈沖地震

　　動最大，無脈沖地震動次之，滑沖脈沖地震動最小的規律。

　　S1、S2反映了地震過程的響應劇烈程度，屬于過程量，具有一定隨機性，但同類地震動均值亦明顯符合所述規律;L則反映了地震結束時的壩體變型，為累計效應結果。同類地震動L均值反映表明3種地震動的差異更加顯著。

　　5結論

　　a.分析了3類近斷層地震動作用下混凝土高拱壩的損傷程度、壩體耗能和位移響應，均具有破裂前方脈沖地震動最大、無脈沖地震動次之、滑沖脈沖地震動最小的規律。

　　b.壩體損傷較大的工況中，損傷區域主要集中在拱端上游側、壩踵處、壩體上游面左、右1/4拱圈的中上部以及壩體下游面的中部。

　　c.破裂前方脈沖地震動對混凝土高拱壩結構的地震響應有顯著影響，在進行混凝土高拱壩的抗震安全分析與研究時需重點關注。

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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