基于abaqus的高拱壩橫縫配筋抗震措施效果分析

水庫是一種有利于地震的水庫。目前，該水庫已被洪水淹沒。但在強(qiáng)震作用下,拱壩中的橫縫過度張開可能導(dǎo)致縫間止水破壞,造成庫水滲漏和壩體應(yīng)力的重分布,使拱向應(yīng)力釋放,梁向應(yīng)力變大,嚴(yán)重影響壩體結(jié)構(gòu)的整體性,甚至危害結(jié)構(gòu)安全。因此,必須采取適當(dāng)措施控制橫縫開度,增強(qiáng)拱壩整體性。常用的措施有橫縫插筋和布設(shè)阻尼器兩種?？缈p鋼筋的鋪設(shè)工作量若較大將會影響灌漿時(shí)橫縫開度、加大施工難度,影響工期,提高工程造價(jià);而阻尼器的安置相對容易,僅需事先預(yù)留安裝坑,對工期沒有干擾。近年來,國內(nèi)對高拱壩抗震措施研究已取得一定成果,但就橫縫插筋和布設(shè)阻尼器分別應(yīng)用于同一座高拱壩并對比這兩種措施加固拱壩效果則較少見。鑒此,本文基于ABAQUS有限元軟件,以大崗山高拱壩為例,對這兩種措施進(jìn)行了對比研究,為高拱壩抗震措施的選擇提供一些有價(jià)值的參考。1基材料非線性伸縮縫模型本文考慮了橫縫開合的接觸非線性,未考慮壩體、壩基材料的非線性;由于伸縮縫上設(shè)有鍵槽,模型中也不允許縫面間有相對的剪切滑移。在研究橫縫動接觸的非線性行為及兩種抗震措施時(shí),主要有以下3種模型。1.1縫合強(qiáng)度對壩體非線性反應(yīng)的影響拱壩橫縫縫面的相對位移vi和縫應(yīng)力qi之間的關(guān)系為非線性。據(jù)文獻(xiàn)知,橫縫抗拉強(qiáng)度對壩體非線性反應(yīng)幾乎無影響,因此在模擬拱壩橫縫力學(xué)行為時(shí)忽略橫縫的抗拉強(qiáng)度,qi與vi滿足:式中,ki為縫閉合時(shí)的剛度。1.2鋼筋等效彈簧模型的建立橫縫配筋模型采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土有限元理論中的整體式模型來考慮鋼筋的宏觀效果,即將橫縫的鋼筋面積彌散于鋼筋所處的橫縫縫面單元的節(jié)點(diǎn)上,采用點(diǎn)—點(diǎn)模型,通過在接觸點(diǎn)對法向上增加一個(gè)與分布鋼筋等效的彈簧值來表示鋼筋作用。鋼筋采用理想彈塑性模型。該等效彈簧值為:Fs=KnsΔL(2)其中Kns=EsA0/l式中,Kns為縫面單元上鋼筋等效彌散剛度;Es為鋼筋的彈模;A0為單元接觸面上的鋼筋截面面積總和;l為縫面兩側(cè)鋼筋總的自由段長度;ΔL為橫縫開度。1.3粘滯流體運(yùn)動方程阻尼器的兩端分別固定在橫縫兩側(cè)壩體混凝土單元面的節(jié)點(diǎn)上。粘滯阻尼器阻尼力的力學(xué)模型為:Fd=sign(v)C|v|ζ(v)C|v|ζ(3)式中,Fd為阻尼力;sign(v)(v)為v的速度方向,阻尼器兩端相對靠近時(shí)取正;v為阻尼器兩端的相對速度;C為粘滯阻尼系數(shù);ζ為粘滯流體的流動系數(shù)。采用法國的堅(jiān)利特(Jareet)阻尼器,C=8.50×103kN/(m·s-1)ζ,流動系數(shù)ζ=0.08。2有限元計(jì)算分析大崗山拱壩為雙曲拋物線拱壩,壩高210.00m,壩底高程925.00m,頂拱中心線弧長622.42m。壩體混凝土的靜彈模為24GPa,動彈模均取為靜彈模的1.3倍,重度為24kN/m3,泊松比為0.17?？紤]地基為非均質(zhì)彈性介質(zhì),按不同巖類選取相應(yīng)的變形模量值和泊松比νr,見表1。設(shè)計(jì)地震反應(yīng)譜采用《水工建筑物抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)譜,按重現(xiàn)期5000年、超越概率為0.02確定的設(shè)計(jì)地震水平向最大峰值加速度為0.5575g,豎向取為水平向值的2/3。采用無質(zhì)量地基,在截?cái)噙吔缛蚓鶆蜉斎氲卣?。按全部由梁承?dān)的分縫自重來考慮壩體自重,用有限元法以附加質(zhì)量來考慮動水壓力的影響,同時(shí)還考慮了泥沙壓力和溫度荷載。選取死水位1120m時(shí)的3種工況。①工況1。未采取任何加固措施。②工況2。在橫縫上配置穿橫縫鋼筋;采用Ⅲ級鋼筋,靜態(tài)屈服強(qiáng)度為400MPa,彈性模量為200GPa,直徑D為40mm;據(jù)文獻(xiàn)選取相對合理的配筋率布置,計(jì)算時(shí)橫縫兩側(cè)的鋼筋自由段長度共取8m(每側(cè)4m);鋼筋間距為10D、沿壩厚的上下游1/3部位配筋;鋼筋布置位置見圖1,圖中陰影處表示配筋區(qū)。從厚度方向看,壩體有限元網(wǎng)格分為3層,在每條橫縫上游側(cè)和下游側(cè)的單元配置鋼筋,在中部壩體混凝土單元上不布設(shè)鋼筋,配筋高度為31m;上、下游配筋面積均為234.4m2。③工況3。在全部28條橫縫的縫面頂部各布置4臺阻尼器,中間21條橫縫在高程1080m處各布置2臺阻尼器,布設(shè)方案見圖2(圖中黑點(diǎn)表示阻尼器)。3抗震加固設(shè)計(jì)在假定壩體混凝土材料為線彈性、地基為無質(zhì)量截?cái)嗟鼗?并考慮橫縫張開非線性條件下,當(dāng)大崗山拱壩在死水位運(yùn)行工況未配置鋼筋、遭遇規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)譜設(shè)計(jì)地震荷載襲擊時(shí),其最大橫縫開度可達(dá)到18.67mm,壩體最大拉、壓應(yīng)力分別為6.66、13.40MPa,表明非線性地震反應(yīng)顯著,因此需采取抗震加固措施。圖3、表2、圖4分別為3種工況最大橫縫開度分布、極值應(yīng)力及最大橫縫開度比較、下游壩面拱和梁向應(yīng)力等值線。3.1端部鋼筋變形考慮地震時(shí)橫縫反復(fù)開合,鋼筋殘余變形將逐次累積,地震后將阻止橫縫閉合,有必要合理選取有關(guān)鋼筋的參數(shù)使鋼筋應(yīng)力保持在彈性范圍內(nèi)。按工況2方案,最大橫縫開度11.65m,由于橫縫兩側(cè)的鋼筋自由段長度為8m,可估算端部鋼筋的最大應(yīng)變?yōu)?.456×10-3,在Ⅲ級鋼筋的彈性變形范圍內(nèi)。由圖3、表2可看出:①配置穿橫縫鋼筋后,最大開度分布曲線的規(guī)律與極值均發(fā)生明顯變化,峰值位置由左岸壩肩轉(zhuǎn)移到拱冠梁附近,總體看最大橫縫開度沿頂拱分布趨于平緩。②配筋后橫縫開度值顯著降低,橫縫最大開度由工況1的18.67mm減小到11.65mm,減幅35%以上,表明橫縫配筋能提高拱壩的整體性。由圖4、表2可看出,配置穿橫縫鋼筋后應(yīng)力分布的規(guī)律與極值變化不明顯。由于穿橫縫鋼筋對橫縫拱向的約束作用,拱向的拉應(yīng)力極值略有增加,梁向拉應(yīng)力得到一定程度改善,但量值變化幅度較小。3.2阻尼器在壩體抗側(cè)力方面的應(yīng)用結(jié)果由圖3、表2可看出,配置阻尼器后,最大開度分布曲線的規(guī)律未發(fā)生變化,峰值大小在整個(gè)壩面上總體趨勢減小,但減幅有限。從橫縫開度極值對比看,最大橫縫開度仍發(fā)生在左岸壩肩附近(#5橫縫),其值由18.67mm下降至18.31mm,變化極微;總體上橫縫開度的減幅基本在10%之內(nèi),對壩體整體性增強(qiáng)作用不大。由圖4、表2可看出,配置阻尼器后壩面應(yīng)力的分布規(guī)律、最大應(yīng)力出現(xiàn)的部位基本上無變化,各應(yīng)力量值也僅有微小不同,表明阻尼器措施對改善壩體應(yīng)力的效果微弱。設(shè)置阻尼器抗震效果不顯著的原因是:由阻尼器作用機(jī)理知,阻尼力與縫面張開的相對速度呈正比,而速度和位移之間有π/2的相位差。圖5為某一橫縫張開度與縫面節(jié)點(diǎn)相對速度的相位比較(圖中橫縫開度與節(jié)點(diǎn)相對速度已作歸一化處理)。由圖可看出,橫縫張開最大的時(shí)刻恰好速度為零,此瞬間阻尼器基本不起作用?？梢?采用布設(shè)與速度相關(guān)的粘滯性阻尼器作為抗震措施效果不佳。4大崗山拱壩混凝土施工質(zhì)量要求a.配置穿橫縫鋼筋對于橫縫張開度的控制效果較為顯著。對大崗山拱壩,若在壩體上部30m高的范圍內(nèi)布設(shè)近1.4×104t的穿橫縫鋼筋,可使最大橫縫開度減小35%以上,表明橫縫配筋比阻尼器更能提高拱壩的整體性。但因配置穿橫縫鋼筋給施工帶來的干擾問題,仍值得進(jìn)一步探討。b.對大崗山拱壩,在現(xiàn)有抗