混凝土坝裂缝危害性分析方法研究
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摘要
本文结合国家自然科学重点基金项目，雅砻江水电开发联合基金(50539030)“复杂条件下高拱坝的失效破坏机理和安全评估”项目以及国家自然科学基金重点项目“现代水工大体积混凝土裂缝机理与控制”(50539010)，运用可拓理论、突变理论、小波理论以及有限元数值分析方法，对混凝土坝裂缝的危害性进行了研究。主要内容如下：
(1)探讨了裂缝的产状特征、影响因素以及危害特性，根据裂缝的工程分类标准及其对大坝结构强度、稳定、耐久性和安全性的影响，确立了裂缝危害性评价体系，从而对裂缝的危害性做出了轻微、一般、严重以及特严重的等级划分，并将可拓理论引入到裂缝的危害性等级划分中，建立裂缝危害性多参数综合评价的物元模型，用关联函数及关联度来确切地反映裂缝危害等级及程度。
(2)通过对裂缝实测资料时间序列的小波分解，提取了裂缝时效变形分量，应用尖点突变理论和应力强度因子建立了裂缝失稳的判别方法。
(3)基于Ottosen的四参数破坏准则，利用ABAQUS／Standard提供UMAT的接口进行了二次开发，通过建立整体无缝和带有水平、竖直以及水平和竖直裂缝的四种模型，研究了融合接触算法的双节点单元的裂缝模型，分析评价了裂缝对坝体承载能力的影响。
(4)在深入分析混凝土坝裂缝危害性的基础上，探讨了基于自振频率的大坝结构刚度和整体性评价方法，应用ABAQUS提供的子空间迭代法对不同裂缝状态下的四种混凝土坝模型分别提取了自振频率，分析了不同裂缝状态下自振频率的敏感性，并结合大坝变形能以及测点位移的变化，研究了裂缝对大坝整体性的影响。
In combination with program of Failure Mechanism and Safety Evaluation of High Arch Dam under Complicated Conditions supported by National Natural Science Major Fund and Yalong River Hydropower Development Jointed Fund (50539030) and National Natural Science funded key program of Fracture Mechanism and Control of the Modern Massive Hydraulic concrete cracks , the paper focuses on hazard evaluation methods of concrete dam cracks by using extenics theory, catastrophe theory, wavelet theory and numerical calculation methods. The main contents are as follows:
(1) The features, influencing factors and hazard properties of concrete dam cracks are studied, and the evaluation system is developed according to its engineering classification standards and the influence on strength, stability, durability, and safety of dams. Then the crack hazard is divided into four classes of slight, general, serious and the most serious. Extenics theory is introduced to establish the multi-parameter matter element model, and then levels and extends of hazard are exactly displayed by correlation function and correlation.
(2) With the wavelet decomposition of time series data of measured cracks, components of time-dependent deformation is extracted, crack propagation criteria is developed by the application of catastrophe theory and calculation of stress intensity factors.
(3) Based on Ottosen four-parameter failure criterion, a second development is undertaken with UMAT interface provided by ABAQUS/Standard program. By using multi-node element and contact model, the influence of crack on load-bearing capability is studied by comparing with four models respectively without crack, with horizontal cracks, with vertical cracks and with horizontal and vertical models.
(4) Based on intensive hazard analysis of concrete dam damages, natural-frequency based method is discussed to evaluate structural stiffness and dam integrity. With the application of subspace iteration method for natural frequency extraction provided by ABAQUS, natural frequency is extracted with four dam models mentioned above; sensitivity is analyzed under different cracks features, and influence on dam integrity is analyzed comparing to changes in total deformation energy and displacement at measuring points.
(1)探讨了裂缝的产状特征、影响因素以及危害特性，根据裂缝的工程分类标准及其对大坝结构强度、稳定、耐久性和安全性的影响，确立了裂缝危害性评价体系，从而对裂缝的危害性做出了轻微、一般、严重以及特严重的等级划分，并将可拓理论引入到裂缝的危害性等级划分中，建立裂缝危害性多参数综合评价的物元模型，用关联函数及关联度来确切地反映裂缝危害等级及程度。
(2)通过对裂缝实测资料时间序列的小波分解，提取了裂缝时效变形分量，应用尖点突变理论和应力强度因子建立了裂缝失稳的判别方法。
(3)基于Ottosen的四参数破坏准则，利用ABAQUS／Standard提供UMAT的接口进行了二次开发，通过建立整体无缝和带有水平、竖直以及水平和竖直裂缝的四种模型，研究了融合接触算法的双节点单元的裂缝模型，分析评价了裂缝对坝体承载能力的影响。
(4)在深入分析混凝土坝裂缝危害性的基础上，探讨了基于自振频率的大坝结构刚度和整体性评价方法，应用ABAQUS提供的子空间迭代法对不同裂缝状态下的四种混凝土坝模型分别提取了自振频率，分析了不同裂缝状态下自振频率的敏感性，并结合大坝变形能以及测点位移的变化，研究了裂缝对大坝整体性的影响。
In combination with program of Failure Mechanism and Safety Evaluation of High Arch Dam under Complicated Conditions supported by National Natural Science Major Fund and Yalong River Hydropower Development Jointed Fund (50539030) and National Natural Science funded key program of Fracture Mechanism and Control of the Modern Massive Hydraulic concrete cracks , the paper focuses on hazard evaluation methods of concrete dam cracks by using extenics theory, catastrophe theory, wavelet theory and numerical calculation methods. The main contents are as follows:
(1) The features, influencing factors and hazard properties of concrete dam cracks are studied, and the evaluation system is developed according to its engineering classification standards and the influence on strength, stability, durability, and safety of dams. Then the crack hazard is divided into four classes of slight, general, serious and the most serious. Extenics theory is introduced to establish the multi-parameter matter element model, and then levels and extends of hazard are exactly displayed by correlation function and correlation.
(2) With the wavelet decomposition of time series data of measured cracks, components of time-dependent deformation is extracted, crack propagation criteria is developed by the application of catastrophe theory and calculation of stress intensity factors.
(3) Based on Ottosen four-parameter failure criterion, a second development is undertaken with UMAT interface provided by ABAQUS/Standard program. By using multi-node element and contact model, the influence of crack on load-bearing capability is studied by comparing with four models respectively without crack, with horizontal cracks, with vertical cracks and with horizontal and vertical models.
(4) Based on intensive hazard analysis of concrete dam damages, natural-frequency based method is discussed to evaluate structural stiffness and dam integrity. With the application of subspace iteration method for natural frequency extraction provided by ABAQUS, natural frequency is extracted with four dam models mentioned above; sensitivity is analyzed under different cracks features, and influence on dam integrity is analyzed comparing to changes in total deformation energy and displacement at measuring points.
引文
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