寒区混凝土劣化对重力坝抗震性能影响研究_张宇.pdf

第 54 卷 第 2 期2 0 2 3 年 2 月人民长江YangtzeiverVol 54，No 2Feb，2023收稿日期:2021 12 14基金项目:国家自然科学基金项目(51969010);东北石油大学人才引进科研启动经费资助项目(1305021827)作者简介:张宇，男，讲师，博士，主要从事水工结构抗震研究。E mail:zhangyu nepu edu cn文章编号:1001 4179(2023)02 0171 06引用本文:张宇，李黄河，王铭明，等 寒区混凝土劣化对重力坝抗震性能影响研究 J 人民长江，2023，54(2):171 176寒区混凝土劣化对重力坝抗震性能影响研究张宇1，李 黄 河1，王 铭 明2，宋 业 传1(1 东北石油大学 土木建筑工程学院，黑龙江 大庆 163318;2 昆明理工大学 电力工程学院，云南 昆明650500)摘要:为探究寒区混凝土性能劣化对重力坝抗震性能的影响，通过混凝土材料冻融循环试验和数值模拟开展了重力坝动力响应分析，得到了大坝在地震激励时的应力、位移和破坏等情况，并通过损伤因子及其对应损伤区域面积提出了重力坝整体损伤累积面积公式。研究结果表明:强震作用时，坝体损伤最明显的部位为下游折坡处和坝踵，冻融循环对大坝整体损伤程度有显著影响，在下游折坡处的冻融区域内配置抗冻混凝土能提升大坝整体抗震性能。研究成果可供寒区混凝土重力坝的抗震设计参考。关键词:重力坝;抗震性能;混凝土;性能劣化;冻融循环;寒区中图法分类号:TV6422文献标志码:ADOI:10 16232/j cnki 1001 4179 2023 02 0260引 言中国水能资源丰富且大都位于地震多发区，因此重力坝的抗震安全性受到广泛关注1。国内外学者对高坝抗震问题开展了大量研究:李德玉等2 提出了大坝抗震安全定量评价指标;陈厚群3 对常规的抗震设计理念和方法提出了改进建议，使其满足实际工程的需要，但还需更进一步研究。地震作用时，坝体材料的性能对重力坝抗震性能会有所影响，同时材料性能又受耐久性的影响，而冻融循环是影响其耐久性的主要原因之一。对此，陆采荣等4 研究了水工混凝土在不同冻融工况下力学性能的变化规律，王丽学等5 通过试验得到冻融循环次数与抗压强度的关系，为研究重力坝坝体材料性能变化提供了依据。数值模拟中，地震动输入方式对大坝抗震性能有所影响。林皋6 对比了大坝抗震分析中的地震动输入方式，得出适用性更好的地震动输入模型。徐强等7 为了获得混凝土重力坝在强地震动作用下的损伤情况，基于耐震时程法提出了一种损伤指标分析方法。Xu 等8 通过在大坝不同坝段之间建立新的伸缩缝单元，研究了大坝的损伤破坏。陈健云等9 对不同强震下大坝损伤整体判断进行了研究，提出了大坝抗震的 3 个阶段水平。王俊等10 研究了强震下库水对重力坝的损伤影响。刘晓蓬等11 研究了强震作用下碾压混凝土重力坝的动力响应特征和破坏与碾压层的层状性态的关系。范书立等12 通过反应谱法分析了新旧规范下重力坝地震动应力、动位移与动加速度的分布规律。何雷辉等13 研究了大坝的应力、稳定及极限抗震能力，针对薄弱区域提出相应工程处理措施。李静等14 通过坝面损伤面积比及坝体损伤体积比两个新的指标，可以更好地分析大坝抗震性能。Wang等15 结合试验得到的混凝土塑性 损伤本构模型，进行混凝土重力坝在不同地震波作用下的数值模拟。综上可见，为了更好地模拟实际工况，将坝体材料混凝土试验和结构数值模拟相结合具有较强实际意义。本文综合考虑寒区混凝土材料性能劣化和地震荷人民长江2023 年载作用，开展了冻融循环对重力坝抗震性能影响的研究，深入探究冻融循环对重力坝混凝土材料性能的影响，分析地震作用时冻融损伤坝体的应力变化以及损伤分布。通过在下游折坡处冻融区域内布置抗冻混凝土，研究其对寒区混凝土结构抗震性能的影响，同时还建立了重力坝整体损伤累积量化面积公式，为直观描述坝体的损伤提供参考依据。1材料性能劣化动态加载试验1 1试件制备根据 DL/T 5150 2017水工混凝土试验规程，采用150 mm 150 mm 150 mm 标准立方体试件用于冻融循环和动态压缩性能试验，采用 100 mm 100mm 400 mm 试件进行冻融循环试验。所用水泥为42 5 级普通硅酸盐水泥，试验用水为自来水。混凝土试样的配合比如表 1 所列。表 1混凝土试样配合比Tab 1Mix ratio of concrete samplekg/m3水水泥粉煤灰石子 5 20 mm石子20 40 mm砂减水剂 引气剂939797525788725175019试件用标准塑料试模成型，振捣密实后放入温度为(20 4)、相对湿度为 90%的养护箱养护 28 d。1 2试验设备本次试验冻融循环机采用山东路达实验仪器有限公司生产的全自动低温冻融试验机。加载设备采用深圳三思纵横科技股份有限公司生产的电液伺服万能试验机。1 3试验工况将经标准养护28 d 的150 mm 150 mm 150 mm标准立方体混凝土试块分为 5 组，每组 4 块，100 mm100 mm 400 mm 的混凝土 5 组，每组 3 块，放入冻融循环机进行试验。达到以下 3 种情况之一即可停止试验:冻融循环已达到 100 次;动弹模量下降到初始的 60%以下;质量损失 5%。将其分为 0，25，50，75 次和 100次冻融循环 5 组，根据文献 16，选择加载速率103/s进行动力加载试验，读取数据，分析本构关系和劣化规律。1 4试验结果图 1 为混凝土立方体试块经过冻融循环后表观情况的对比。从图中可以看出，最初混凝土表面完整无损伤，随着试验的进行，混凝土表面逐渐出现许多小坑蚀，然后表面胶凝材料流失，坑蚀孔洞变大，表面细骨料外露，且随着冻融循环次数的增加，细骨料开始逐渐分层剥落，到 100 次冻融循环后粗骨料已明显暴露于表面，剥离情况十分严重。图 1冻融前后混凝土表观Fig 1Concrete appearance before and after freezing and thawing由于混凝土的拉伸离散性较大，特别是动力加载时混凝土拉伸试验所得数据离散性更大。本文将混凝土轴压试验得出的抗压强度，根据规范 GB 50010 2019 中规定的取混凝土抗压强度的 12%计算其对应的抗拉强度。坝体所使用抗冻混凝土的强度为普通混凝土的 1 1 倍，100 次冻融循环对其性能的影响可忽略不计。本次试验中冻融循环前后各个参数如表 2 所列，表中抗拉强度和抗压强度参照 GB 50010 2010混凝土结构设计规范，将试验所得标准立方体强度换算为轴心强度。表 2混凝土材料冻融循环前后材料属性Tab 2Material properties of concrete before andafter freezing thawing cycles冻融次数弹性模量/GPa密度/(kgm3)抗压强度/MPa抗拉强度/MPa泊松比膨胀角/()0431249503241328902363110022323528114611750236312数值模拟模型和参数2 1模型的建立采用 ABAQUS 建立二维分析模型，坝顶高程2695m，坝顶宽10 m，坝底宽6814 m，上游折坡比1010，下游折坡比1075，上游正常蓄水位26350 m。根据大体积混凝土结构特性，冻融破坏对重力坝的影响深度为10 m 17，参考混凝土重力坝运行特点以及冻融深度，设置冻融范围为重力坝上游坝体死水位24200 m 以上部分、坝顶以及下游坝坡，影响深度为10 m。图 2 为重力坝的二维有限元模型，它包含了10 873个一阶减缩积分平面应力单 元(CPS4)，11 137个节点，其中为重力坝损伤冻融区域，为重力坝未冻融区域，为抗冻混凝土区域。考虑不同温度下坝体材料参数有所变化，设定 3种计算工况:工况 1 为大坝全部区域未受冻融循环影响;工况 2 为大坝坝体 1 0 m 深度受冻融循环影响，冻融范围为大坝上游坝体死水位 242 00 m 以上部分、坝顶以及下游坡面;通过分析工况 1 和工况 2 确定因冻271第 2 期张宇，等:寒区混凝土劣化对重力坝抗震性能影响研究图 2重力坝有限元模型Fig 2The finite element model of a gravity dam融循环作用导致坝体损伤严重的区域，在此区域 1 0m 深度增加抗冻混凝土如图 2 中区域，此为工况 3。2 2坝体材料本构关系的确定选择试验得到的 0 次和 100 次冻融后的峰值强度和弹性模量，得到坝体混凝土的参数指标。混凝土单轴受拉的应力 应变曲线方程可按公式(1)确定，在计算中前半部分取为线弹性，损伤只发生在峰值后。通过引入损伤因子来反映混凝土准脆性材料在周期荷载作用下后继屈服的损伤机理，为分析循环加载和动态加载条件下混凝土结构的力学响应提供普遍适用的材料模型。损伤因子根据 Sidoroff 能量等效原理计算得出。公式(2)为单轴受拉塑性损伤因子 d 的计算公式。混凝土单轴受拉的应力 应变曲线如图 3 所示。拉伸损伤曲线如图 4 所示。y=1(x 1)y=xt(x 1)1 7+x(x 1)(1)d=0(x 1)d=1 1tx()11 7+x(x 1)(2)式中:t为单轴受拉应力 应变曲线下降段的参数;x，y 分别为混凝土受拉时的应力和应变;d 为损伤因子。图 3混凝土拉伸应力 应变曲线Fig 3Concrete tensile stress strain curve图 4混凝土拉伸损伤曲线Fig 4Tensile damage curve of concrete综上，本文由试验得到混凝土峰值应力和弹性模量、简化的混凝土本构关系，并由能量等效原理得出数值模拟所需输入数据(即图 4 中损伤曲线)，用来分析重力坝在强震时的性能表现和破坏情况。2 3地震波选择反应谱值及其他动力参数依据 GB 51247 2018水工建筑物抗震设计标准 给出。该工程区地震基本烈度为 7 度，场址 100 a 超越概率 1%的地震动峰值加速度为1 72 m/s2。为了更好地分析坝体损伤程度，选择 2 5 倍地震动，根据场地类别，相应的地震动反应谱特征周期为 0 50 s，设计反映谱最大值代表值 max=2 00，如图 5 所示。竖向设计地震加速度的代表值取水平向设计地震加速度代表值的 2/3，采用人造波。综合考虑了地震波的采样频率和高阶模态振动周期的影响，取时间步长为 0 01 s，加速度时程归一化曲线如图 6 所示。图 5水平向地震设计反应谱曲线Fig 5Horizontal seismic design response spectrum curve3模拟结果3 1重力坝地震响应位移分析由图 7 可以看出 3 种工况下坝顶水平位移响应曲线变化趋势相似;工况 2 下水平位移较工况 1 和工况371人民长江2023 年图 6加速度时程归一化曲线Fig 6Acceleration time history normalized curve3 大，冻融后最大位移值可达 0 055 m，与冻融前工况1 相比增加了 17 02%，加入抗冻混凝土后的工况 3 的相对水平位移则比工况 1 增加 0 002 m，这是由于冻融循环对混凝土重力坝抗震性能仍有所影响，使用抗冻混凝土可以一定程度上减少冻融循环对重力坝相对水平位移的影响。图 7坝顶处的水平位移时程曲线Fig 7Time history curve of horizontal displacementat dam crest3 2重力坝地震响应拉应力分析图 8 为重力坝下游折坡处的拉应力随地震的变化趋势。由图可以看出，工况 1 和工况 3 的拉应力虽然大于工况 2，但其未达到混凝土的抗拉强度，所以只发生轻微破坏，而工况 2 虽然拉应力较小，但其最大拉应力峰值超过了混凝土的动态抗拉强度，重力坝已发生明显拉伸破坏。综上，冻融循环对重力坝抗震性能影响明显，加重了大坝地震损伤;下游折坡处布置抗冻