钢筋混凝土水闸—地基—水体系统非线性地震动损伤分析方法技术方案

本发明专利技术公开了一种钢筋混凝土水闸—地基—水体系统非线性地震动损伤分析方法，根据水闸闸室结构特点，建立了包含地基、水体、闸墩、闸底板、钢闸门、上部启闭机房结构以及钢筋的水闸闸室结构三维有限元模型，采用有限元数值模拟技术，基于粘弹性人工边界条件，考虑无限地基辐射阻尼效应、混凝土动态损伤、钢筋混凝土的粘结滑移作用以及水体和水闸结构的流固耦合作用，对水闸闸室结构进行了非线性地震动损伤分析。本发明专利技术有效地弥补现阶段水闸闸室结构抗震分析过程中存在的缺陷，提高了水闸结构地震损伤分析的准确性。构地震损伤分析的准确性。构地震损伤分析的准确性。

【技术实现步骤摘要】
钢筋混凝土水闸
—
地基
—
水体系统非线性地震动损伤分析方法


[0001]本专利技术涉及抗震安全分析，具体涉及一种钢筋混凝土水闸—地基—水体系统非线性地震动损伤分析方法。

技术介绍

[0002]水闸具有挡水、泄水的双重作用，在水利工程中应用十分广泛。水闸结构抗震分析研究是水闸结构安全复核的重要内容之一，近年来，国内外在水闸结构抗震分析研究方面做了大量的研究。起初，闸室结构抗震分析研究主要通过手工计算，进行了大量的简化工作，建立简化模型，进行粗略的计算。随着有限元法的快速发展和计算机的广泛应用，闸室结构的分析方法也有了质的飞跃。近年来，利用有限元数值模拟技术对闸室结构进行抗震分析研究已经成为了解决闸室结构抗震问题的关键技术手段。目前，国内外学者主要通过拟静力法、振型分解反应谱法和时程分析法来研究闸室结构的抗震性能，然而，现有关于水闸结构抗震分析的研究主要针对线弹性混凝土结构，考虑混凝土动态损伤和钢筋混凝土粘结滑移作用对水闸结构进行抗震分析的研究目前还无人涉及。众所周知，水闸闸室段一般为钢筋混凝土结构，而钢筋混凝土是一种非常复杂的建筑材料，它同时具有塑性、压碎、开裂等复杂的力学行为，在三维空间下，这些极其复杂的力学行为变的更加难以确定，仅对水闸结构进行混凝土结构线弹性分析有失偏颇。同时，闸室薄壁结构在强震作用下易发生贯穿性裂缝，目前国内学者对水闸结构在地震作用下可能发生的破坏模式研究较少，对水闸结构非线性地震损伤破坏机理的研究也寥寥无几。
[0003]另外，现有研究成果均采用附加质量法折算水闸地震动水压力。事实上，附加质量法主要研究坝前无限域水体对刚性的坝面动水压力问题，而对于水闸结构而言，闸室段内水体的振动与重力坝、拱坝等库水的无限水域的水体振动不同，闸墩两面均承受水压力作用，其动水压力的影响更为显著。因此，采用附加质量法模拟作用于水闸上的地震动水压力欠妥。
[0004]综上，现有分析方法基本采用线弹性分析方法，未考虑混凝土的材料非线性损伤，也未考虑钢筋混凝土的相互作用，导致对水闸的地震损伤分析不准确。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种钢筋混凝土水闸—地基—水体系统非线性地震动损伤分析方法，解决现有分析方法基本采用线弹性分析方法，未考虑混凝土的材料非线性损伤，也未考虑钢筋混凝土的相互作用，对水闸的地震损伤分析不准确的问题。
[0006]技术方案：本专利技术所述的钢筋混凝土水闸—地基—水体系统非线性地震动损伤分析方法，，包括以下步骤：
[0007](1)根据水闸闸室的结构尺寸和配筋情况，建立三维水闸闸室结构有限元模型模型中包括地基、水体、闸底板、闸墩、钢闸门、交通桥、上部启闭机房结构以及混凝土内钢筋；
[0008](2)基于有限元分析，考虑无限地基辐射阻尼效应、混凝土动态损伤、钢筋混土的粘结滑移作用以及水体和水闸结构的流固耦合作用，输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载进行非线性地震动损伤计算，得到地震荷载作用下闸室结构各部位的动力响应；
[0009](3)基于步骤(2)的计算结果，选取位移、应力及损伤值最大的区域的特征点，绘制特征点处位移、应力及损伤值随地震历时的变化曲线。
[0010](4)根据损伤值随地震历时的变化曲线，确定损伤区域截面面积占比，依据损伤区域截面面积占比判定闸室结构破坏水平。
[0011]其中，所述步骤(1)中地基单元范围以闸底板上游、下游、左侧、右侧以及底部高程为准，分别向上游、下游、左岸、右岸以及竖直向下延伸2倍闸室高度，闸室高度为启闭机房顶部高程与闸底板底部高程之差；上下游水体单元节点与闸墩和钢闸门节点共用；钢筋单元节点与混凝土单元节点不共用，采用插值形式进行计算，在单弹簧联结单元法中，根据如下公式计算钢筋节点的法向位移，具体公式如下：
[0012][0013]式中，为局部坐标系下钢筋节点第i维的位移值；n为模型维数；r
ij
为插值系数，即坐标转换矩阵元素；u
j
为整体坐标系下混凝土节点第j维的位移值。
[0014]所述步骤(2)中有限元计算时，混凝土采用四参数动态损伤本构模型，其破坏准则为：
[0015][0016]式中：ε
*
为等效应变；A、B、C、D为四个试验常数，可通过单轴拉伸试验、单轴压缩试验、双轴等压试验以及三轴压缩试验联合求得；I
′1＝(ε1+ε2+ε3)/3为应变张量第一不变量；为最大主应变；为应变偏量第二不变量；J
′3＝ε1ε2ε3为应变偏量第三不变量；ε1,ε2,ε3分别为三向主应变；ε
m
表示球应力下的应变。
[0017]在地震荷载作用下，混凝土不可避免地存在软化段的卸载与重新加载过程，本次模拟中残余应变计算采用如下公式：
[0018][0019]式中，ε
p
为残余应变值；ε0＝f
t
/E为混凝土抗拉强度下的极限应变，f
t
为混凝土抗拉强度，E为混凝土弹性模量；ε
un
为卸载点处应变值；
[0020]钢筋
‑
混凝土间的相互作用通过基于混合坐标系的单弹簧联结单元法进行模拟，其中钢筋与混凝土之间的相互作用方程如下：
[0021][0022]式中，Δu、Δu
*
和ΔF、ΔF
*
分别为Oxyz和O
*
x
*
y
*
z
*
坐标系中位移向量增量和荷载向量增量；k和k
*
分别为Oxyz和O
*
x
*
y
*
z
*
坐标系中刚度矩阵；k
s
和r为坐标转换矩阵；r
T
为坐标转换矩阵的转置矩阵。
[0023]采用势流体单元模拟地震作用下闸前后水体与闸墩和钢闸门之间的流固耦合作用，其控制方程如下：
[0024][0025]式中，P代表动水压力，c为水中声波波速，为拉普拉斯算子，为动水压力对时间的二阶导数；
[0026]在水体和闸墩、闸底板以及钢闸门之间设置流固耦合边界，以此来模拟水体和钢闸门之间的能量传递，具体如下：
[0027][0028]式中，n为流固耦合面上流体域的外法线方向；为流固耦合面上沿法向的绝对加速度，ρ为水体密度；
[0029]基于标准设计反应谱采用三角级数展开的方法生成2条地震加速度时程曲线，并通过积分生成速度和位移时程曲线，计算过程中基于粘弹性人工边界条件，从地基底部垂直输入速度波和位移波。
[0030]所述步骤(3)中位移包括顺河向位移、横河向位移以及竖直向位移，应力包括第一主应力和第三主应力；绘制的特征点处位移、应力曲线以地震历时为横轴，以位移或应力响应为纵轴；绘制的损伤值随地震历时的变化曲线以地震历时为横轴，以损伤值为纵轴。
[0031]所述步骤(4)中，用本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种钢筋混凝土水闸—地基—水体系统非线性地震动损伤分析方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)根据水闸闸室的结构尺寸和配筋情况，建立三维水闸闸室结构有限元模型模型中包括地基、水体、闸底板、闸墩、钢闸门、交通桥、上部启闭机房结构以及混凝土内钢筋；(2)基于有限元分析，考虑无限地基辐射阻尼效应、混凝土动态损伤、钢筋混土的粘结滑移作用以及水体和水闸结构的流固耦合作用，输入预设的材料参数、边界条件和不同荷载进行非线性地震动损伤计算，得到地震荷载作用下闸室结构各部位的动力响应；(3)基于步骤(2)的计算结果，选取位移、应力及损伤值最大的区域的特征点，绘制特征点处位移、应力及损伤值随地震历时的变化曲线。(4)根据损伤值随地震历时的变化曲线，确定损伤区域截面面积占比，依据损伤区域截面面积占比判定闸室结构破坏水平。2.根据权利要求1所述的钢筋混凝土水闸—地基—水体系统非线性地震动损伤分析方法，其特征在于，所述步骤(1)中地基单元范围以闸底板上游、下游、左侧、右侧以及底部高程为准，分别向上游、下游、左岸、右岸以及竖直向下延伸2倍闸室高度，闸室高度为启闭机房顶部高程与闸底板底部高程之差；上下游水体单元节点与闸墩和钢闸门节点共用；钢筋单元节点与混凝土单元节点不共用，采用插值形式进行计算，在单弹簧联结单元法中，根据如下公式计算钢筋节点的法向位移，具体公式如下：式中，为局部坐标系下钢筋节点第i维的位移值；n为模型维数；r
ij
为插值系数，即坐标转换矩阵元素；u
j
为整体坐标系下混凝土节点第j维的位移值。3.根据权利要求1所述的钢筋混凝土水闸—地基—水体系统非线性地震动损伤分析方法，其特征在于，所述步骤(2)中有限元计算时，混凝土采用四参数动态损伤本构模型，其破坏准则为：式中：ε
*
为等效应变；A、B、C、D为四个试验常数，可通过单轴拉伸试验、单轴压缩试验、双轴等压试验以及三轴压缩试验联合求得；I
′1＝(ε1+ε2+ε3)/3为应变张量第一不变量；为最大主应变；为应变偏量第二不变量；J
′3＝ε1ε2ε3为应变偏量第三不变量；ε1,ε2,ε3分别为三向主应变；ε
m
表示球应力下的应变。在地震荷载作用下，混凝土不可避免地存在软化段的卸载与重新加载过程，本次模拟中残余应变计算采用如下公式：
...

【专利技术属性】
技术研发人员：程诚，郭博文，张春林，宋力，锁雷，范冰，何源，常芳芳，马奥，李红志，池帅，武文祥，高玉琴，江付平，孙峰辉，王程，余元宝，校永志，杨志刚，汪德华，查阳光，
申请(专利权)人：王家坝闸管理处，
类型：发明
国别省市：