重力坝毕业设计外文翻译.docx

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重力坝毕业设计外文翻译

毕业设计（论文）

外文翻译

题目榆林王圪堵水库枢纽

布置及重力坝设计

专业水利水电工程

班级

学生

指导教师

2013年

地震载荷下的混凝土重力坝断裂原因分析

ABBASMANSOURI;MIRAHMADLASHTEHNESHAEI;REZAAGHAJANY

1伊斯兰阿扎德大学，土木工程，伊朗德黑兰

2桂兰大学，土木工程，拉什特，土木工程伊朗

3伊斯兰阿扎德大学，土木工程，德黑兰（北支），伊朗

摘要：

在本文中，对混凝土重力坝的地震裂缝采用有限元（2D）的行为理论进行了研究。

巴占特模型（它是非线性的断裂力学标准作为衡量的增长和弥散裂缝）被选中来开发裂缝的剖面图。

混凝土的应力-应变曲线作为简化的两线，欧拉-拉格朗日公式被选用于大坝和水库系统。

根据1967年的地震记录，用上述模型对Koyna混凝土重力坝进行了研究。

结果证实了第一个裂缝的图像有增长和扩张而第二个并没有受到它的影响。

比较的结果显示了与其他研究者一致的结论。

关键词：

地震断裂；弥散裂缝；非线性断裂力学；混凝土重力坝。

在过去的十年里，有关在地震时混凝土大坝安全的的大坝抗震性能已受到广泛的研究。

Chopra等人（1972）,通过使用线性弹性分析研究大坝的抗震性能的裂纹路径。

分析显示,在损坏或有风险的地方会影响结构的稳定性。

Pal（1976）是第一个利用非线性分析研究Koyna大坝的研究人员。

在本研究中,假设没有水库的影响,在刚性地基上,用弥散裂纹模型对Koyna大坝裂纹扩张和强度标准裂纹增长进行了分析。

结果表明,裂纹的增长对材料性质以及元素大小是非常敏感的。

图1（a）显示了这种分析造成的大坝裂纹区。

Skrikerud（1986）采用离散裂缝裂纹扩展和裂纹增长的标准，通过Koyna大坝的个案研究了混凝土坝。

在他们的研究中，裂纹在每一步的成长,长裂纹尖端的元素最终被认为是有效的。

他把他们的模型试验结果归结于裂纹分析在与大坝开裂的膨胀系数不匹配、和水库相互作用并且缺乏大坝特性参数的实际值等原因。

通过分析留在图1（b）中的裂纹就可以证实。

El-Aidi和Hall（1989）研究了松平坝的地震裂缝，就用到了弥散裂缝的裂纹扩展和增长模型和强度准则。

他们的研究认为裂纹轮廓线的出现证明了水库-坝和地基-大坝的相互作用。

大坝裂缝如图1（c）所示。

Fenves和Vargas-Loli还用断裂力学裂纹增长和弥散裂缝模型裂纹扩展（UangandBertero,1990）的标准研究了松平大坝。

不计由地基带来的结果，他们应用不同系数的塔夫脱的地震记录；对松平坝在有没有水库影响的两种情况下进行分析，本课题研究了大坝动水压力与裂纹分布对大坝的抗震性能的影响，此研究结果示于图1（d）。

在该文章中，对混凝土重力坝地震条件下非线性断裂行为的研究有以下部分：

第一，提交弥散裂纹模型与动态荷载作用下混凝土的性能和断裂的堤坝研究；

第二，对Koyna混凝土重力坝从非线性分析方面进行了抗震性能的评估。

采用有限元方法分析坝---库水相互作用和无水库作用的结果。

从而可以得出结论，上游和下游都出现通过大坝上部的的预裂缝,这是符合观察原型特征的结论。

比较分析表明，水库的作用不能忽视。

（d）Vargas-loli（c）El-Aidi（b）Skrikerud（a）Pal

（h）实验模型（g）实物模型（f）Bhattacharjee（e）Calayirand

andLegerKaraton

图1：

关于重力坝开裂的过去调查资料。

欧拉-拉格朗日制定的动态相互作用的坝-水库系统和边界条件：

使用不同的方法，为大坝和水库建模，而欧拉-拉格朗日模型是使用的一个标准。

在这个研究中，大坝和水库建模系统的欧拉-拉格朗日关系被进行了调查研究。

在图2中，给出了大坝和水库的边界条件。

根据有限元理论方程，调整的大坝如下公式：

在这个公式中：

质量矩阵，

阻尼矩阵，

结构刚度矩阵，

相对节点的位移矢量，

单位矩阵，

锚点加速度矢量。

在众所周知的亥姆霍兹方程的两个关系是关于液体环境中分配动水压力的情况下，提出了下面公式：

在方程

（2）中：

流体压力，

流体中声音的速度。

四个边界条件被用于定义如下情况水库：

1.自由表面边界条件

2.远程边界条件

3.相交边界条件

4.底部边界条件

在这几个方程中：

大坝加速度；

地面加速度；

垂直向量；

流体密度。

在水库中产生的加速度与大坝的数量加速度有关。

其中：

流体密度，

坝体密度；

声速。

考虑到边界条件和流体方程，水库关系矩阵的构成如下：

图

（2）：

大坝和水库系统

公式中：

流体质量矩阵；

阻尼矩阵；

流体刚度矩阵；

流体压力向量；

单位矩阵；

锚加速度向量。

根据应力或应变张量，破裂方向被定义为潜在的导数。

潜在损失可以是应力的一个函数或应变（Kolari，2007年），在弥散裂缝模型中，潜在损失是应力的函数，这意味着该裂纹发生时应力达到极限的水平。

另外，垂直于最大值的水平裂缝，被视为主应力的拉伸，因此在压应力状态下，没有损坏记录。

随着压力的增加，非弹性变形的持久作用导致混凝土变软。

在任何时候，混凝土初始边坡的最大抗压强度是平行于加载边坡的。

当卸载方向变化时，混凝土（应力-应变）的反应具体是其弹性拉伸应力达到最大，然后发生开裂现象，最终结果导致混凝土的破坏。

在该状态下（帮助减少弹性硬度），可以建立起一个裂纹展开的模型。

如果再次被施加压缩应力，拉伸应力返回到零，该裂纹将被完全关闭。

图3显示了混凝土在压缩和拉伸应力下的变化情况。

图3：

混凝土单向应力变化（ABAQUS理论手册，2009）.

根据线弹性断裂力学的标准，裂缝的发展增长过程只发生在最大的裂缝部位，弹性元件的其余部分仍然呈线性变化，此方法适用于损坏面积相对较小的普通结构中。

但是，非线性断裂力学模型更适合在巨大的建筑物中使用，如混凝土大坝，它的受损面积是比较大的，这种方法是在能量关系的基础上建立的，并且在断裂力学领域中提出了基于Hillerborg（1978）和Bazant（1983）的两种理论。

根据1976年Hillerborg提出的模型，损坏的区域被认为是假想裂缝在真正裂缝的高峰期产生的。

在1983年，Bazant表明裂纹的增长和扩张过程发生在条形破裂带上，在本研究中，Bazant弥散裂缝模型被用于研究Koyna坝。

总结:

在这个研究中，通过采用非线性断裂力学准则和弥散裂缝模型的发展概况，调查了大坝和水库在地震作用下裂缝的相互作用。

结果，通过分析在有没有水库的条件下大坝的变化情况，得出以下结论：

1.通过与其他研究人员的结果对比，它显示出这项研究和其他人的引用是比较一致的：

如（Guanglun等，2000年），（Calayir和Karaton，2005年），（Cai等，2008年），（Hal，1988年），（Saini和Krishna，1974年）。

因此，混凝土重力坝的抗震性能在非线性断裂力学准则和弥散裂缝模型的实验中得到了科学的证实。

考虑大坝和水库之间的相互作用分析Koyna大坝，得到三个薄弱环节：

大坝坝踵处，变化的边坡和大坝上部（在其中有大部分裂纹）的一些地区。

在分析Koyna大坝而忽略水库的影响时所产生的结果后，表明在坝踵裂缝部位，斜率发生了变化。

从分析的结果可以看出，在受损的区域中，大坝和水库之间的相互作用的情况下大坝破坏程度预期的效果大于大坝单独作用的效果。

2.动态分析中使用的的弥散裂缝（延伸裂纹和裂纹扩展的材料的非线性断裂力学标准）的确是更新的物质性能，特别是裂缝能量和材料的性能。

3.如混凝土重力坝，它提供了大范围面积的断裂能根据各种文献，并考虑到此参数与材料在大坝地震裂缝的产生中的重要性，准确的测试也是正确定义材料性能时必要的条件。

非线性断裂力学的理论定义的破坏面积和弥散裂缝模型定义的发展裂缝，可以视为一个适当的标准，并为我们提供了结构的实际行为。

参考文献

阿巴克理论手册和用户手册，2009年.

巴让特.Z.P和奥，B.H.混凝土断裂带理论,材料和结构.1983年.

巴塔查尔吉.S.S.和莱热.P.混凝土本构模型的非线性地震反应分析的重力水坝状态的艺术.加拿大土木工程学报,1992年.

巴塔查尔吉.S.S.和莱热.P.应用的NLFM模型，以预测开裂混凝土重力坝,建筑结构学报.1994.

蔡.Q和罗伯特.J.M和范·伦斯堡B.W.J.有限元的混凝土重力坝裂缝建模.南非土木工程学会杂志，2008年.

克莱尔.Y和卡若彤.M.地震裂缝分析混凝土重力坝，坝-水库的相互作用.电脑与结构，2005.

乔普拉.A.K.和查克拉巴蒂.P.地震体验江天坝和混凝土重力坝应力.地震工程与结构的动态，1972年.

乔普拉A.K.地震期间坝上的动水压力.工程力学部杂志，1967年.

埃尔-艾迪.B和霍尔.J.非线性地震响应的混凝土重力坝第2部分,1989年.

查米安.M和高伯然.A.大坝—水库互动与混凝土重力坝非线性的地震反应.工程结构，1999年.

光轮.W,派库.O.A，楚汉相.Z，少民.W.基于非线性断裂力学的混凝土重力坝地震断裂分析.工程断裂力学分析，2000年.

Fractureanalysisofconcretegravitydamunderearthquakeinducedloads

ABBASMANSOURI;MIRAHMADLASHTEHNESHAEI;REZAAGHAJANY

1CivilEngineering,IslamicAzadUniversity（SouthBranchofTehran）Tehran,Iran

2CivilEngineering,UniversityofGuilan,Rasht,Iran

3CivilEngineering,IslamicAzadUniversity,（NorthBranchofTehran）,Tehran,Iran

ABSTRACT:

Inthispaper,seismicfracturebehavioroftheconcretegravitydamusingfiniteelement（2D）theoryhasbeenstudied.Bazantmodelwhichisnon-linearfracturemechanicscriteriaasameasureofgrowthandsmearedcrackwaschosentodevelopprofilesofthecrack.Behaviorofstress-straincurvesofconcreteasasimplifiedtwo-line,damandreservoirsystemusingtheformulationoftheEuler-Lagrangewaschosen.Accordingtotheabovemodels,Koynaconcretegravitydamwereinvestigatedbythe1967earthquakerecord.Theresultsprovideprofilesofgrowthandexpansionfirstwiththeeffectsofreservoirandsecondwithoutit.Comparisonoftheobtainedresultsshowsgoodagreementwiththeworksoftheotherresearchers.

Keywords:

Seismicfracture;Smearedcrack;Non-linearfracturemechanics;Concretegravitydam.

Theseismicbehaviorofconcretedamshasbeenthesubjectofextensiveresearchduringthepastdecadeconcerningdamsafetyduringearthquakes.Chopraetal（1972）,studiesseismicbehaviorofdam’scrackpathbyusinglinearelasticanalysis.Theanalysisshows,placesthatareindamageorandriskoftheconcerningstabilityofstructure.Pal（1976）wasthefirstresearcherwhoexaminedKoynadambyusingnon-linearanalysis.Inthisresearch,assumingnoeffectofreservoir,beingrigidfoundation,smearedcrackmodeluseforcrackexpansionandstrengthcriteriatocrackgrowth,Koynadamwasanalyzedandwasshownthattheresultsofmaterialpropertiesandelementsizeareverysensitive.Figure1（a）crackzoneinthedamofwhichresultingfromthisanalysisareshown.Skrikerud（1986）studiedconcretedamsthroughacasestudyonKoynadamandbyemployingdiscretecrackforcrackgrowthandstrengthcriteriaforcrackexpansion.Intheirstudythegrowthofcrackateachstepofgrowth,thelengthofthecracktipelementwasconsideredthatthisisthefinalresultswereeffective.Heinterpretedtheresultsoftheirmodel,duetoexpansionmismatchwiththecrackingintheiranalysisofrealcrackinthedam,nomatchFoundationandreservoirinteractionandlackofrealvaluesofcharacteristicparametersdamannounced.CrackprofilesfromtheanalysisleftinFigure1（b）arepresented.El-AidiandHall（1989）didaresearchonseismicfractureofPineflatdam.Smearedcrackmodelandstrengthcriteriaforcrackexpansionandgrowthwereused.Intheiranalysisisconsideringthereservoir–damandfoundation–daminteractionwascrackprofilepresented.Figure1（c）,crackinginthedamwillprovideanalysis.FenvesandVargas-LolialsostudiedPineflatdambyusingfracturemechanicscriteriaforcrackgrowthandsmearedcrackmodeltocrackexpand（UangandBertero,1990）.TheyapplydifferentcoefficientsofTaftearthquakerecord,regardlessoftheeffectbyfoundation;PineFlatdamintwocaseswithandwithouttheeffectofthereservoirwasanalyzed.Inthisstudytheeffectofhydrodynamicpressureontheseismicbehaviorinthedamwiththecrackprofilespresented.TheresultsofthisanalysiswereshowninFigure1（d）.KoyKoynadamisoneofafewconcretedamsthathaveexperiencedadestructiveearthquake.Inthispaper,studythenonlinearfracturebehaviorofconcretegravitydamsunderearthquakeconditions.First,presentedsmearedcrackmodelwiththebehaviorofconcreteunderdynamicloadsandfractureofdams.Secondly,Seismicbehaviorofconcretegravitydamswasassessedwithnon-linearanalysistoKoynadamwithregarddam–reservoirinteractionandwithoutreservoirusingfiniteelement2Dmethodandpresentedresultsofanalysis.Fromtheresultsitisconcludedthatboththeupstreamanddownstreamfacesofthedamarepredictedtoexperiencecrackingthroughtheupperpartofthedam,whichisconsistentwiththeobservedprototypebehavior.Comparisonanalysiswasdoneshowedthatthereservoireffectcannotbewaived.

（d）Vargas-loli（c）El-Aidi（b）Skrikerud（a）Pal

（h）Experimentalmodel（g）Realmodel（f）Bhattacharjee（e）Calayirand

andLegerKaraton

Figure1:

Pastinvestigationsintocrackingprofileingravitydams.

Euler-LagrangeFormulationforDynamicInteractionofDam-ReservoirSystemsandBoundaryConditions:

Differentmethodsfordamandreservoirmodelingareused.TheEuler-Lagrangemodelisonecriteriatoused.Inthisresearch,therelationsofEuler-Lagrangefordamandreservoirmodelingsystemisinvestigated.

InFigure2,thedamandreservoirboundaryconditionispresented.

Accordingtothefiniteelementtheoryequationsgoverningthedamisasfollows（Kucukarslan,2003）:

Inthisequations,

=Massmatrix,

=Dampingmatrix,

=Structuralstiffnessmatrix,

=Displacementvectorofrelativenodal,

=Unitmatrix,

=Anchoraccelerationvector.

EquationgoverningthedistributionofhydrodynamicpressureinthefluidenvironmentiswellknownHelmholtzequationbytworelationsinwhichpresentedbytheequationbelow:

InEquation

（2）,

thefluidpressures,

thespeedofsoundinthefluid.

Fourboundaryconditionsareusedtodefinethereservoirasfollows.

1.FreesurfaceBoundary

2.RemoteBoundary

3.InteractionBoundary

4.BottomBoundary

InthisEquations,

DamAcceleration,

GroundAcceleration,

Vectorperpendicular,

Fluiddensity.Valueofaccelerationcreatedinthereservoir,isrelatedtotheamountofdamacceleration.

where:

fluiddensity,

Damdensity,

speedofsound.

Consideringtheboundaryconditionsandfluidequations,