鋼筋和阻尼器在高拱壩橫縫中的應用

鋼筋和阻尼器在高拱壩橫縫中的應用

許多研究表明，高拱壩的橫向裂縫在強震的作用下容易被打開，尤其是在高地震的情況下。橫縫張開可能導致縫間止水的破壞和拱向拉應力的釋放及拱梁應力的重新分配,造成梁向應力變大,產(chǎn)生水平向裂縫。因此對于強震區(qū)的高拱壩,可以采用抗震措施控制橫縫的張開度,增強拱壩在地震作用下的整體性。前蘇聯(lián)的Inguri拱壩曾經(jīng)使用過跨橫縫鋼筋作為抗震措施,國內(nèi)對此已經(jīng)有過學者進行研究。在高拱壩橫縫間設置阻尼器是近年才提出的設想,研究相對較少,和跨橫縫鋼筋相比,設置阻尼器有以下優(yōu)點:首先黏滯型阻尼器的力直接與橫縫兩側(cè)混凝土的相對速度相關(guān),和鋼筋受力與應變相關(guān)的作用機理不同,在靜力作用時不產(chǎn)生附加應力,也不會在強烈地震中產(chǎn)生屈服,影響震后的橫縫狀態(tài);其次,跨橫縫鋼筋的鋪設工作量較大,對工期影響較大,而如果把阻尼器安裝在大壩頂部,只需要在指定的布設位置預留安裝坑,安裝結(jié)束后覆以蓋板保護,甚至可以在正常蓄水發(fā)電后進行施工,對大壩施工工期沒有干擾。本文基于ABAQUS有限元軟件,選取國內(nèi)某高拱壩作為工程背景,在能夠達到控制橫縫開度的前提下,對以上兩種措施以及可能的組合方案進行了初步研究,得到了一些有價值的結(jié)論。1分析模式本文采用的是ABAQUS軟件,其有限元動力分析的一般內(nèi)容可以參見相關(guān)文獻,不再贅述。以下主要介紹本文涉及的特殊模型。1.1接觸壓力的確定根據(jù)已有的經(jīng)驗,橫縫初始抗拉強度對壩體非線性反應影響很小,可以忽略,因此,本文模擬拱壩橫縫的力學行為時,忽略橫縫的初始抗拉強度,基于ABAQUS的接觸模型,定義橫縫接觸關(guān)系如下:沿接觸縫面法向的相互作用力定義滿足:p=0(1)p=p0e?1hc(ehc?1)(h>?c)(2)p=0(1)p=p0e-1hc(ehc-1)(h>-c)(2)式中:c為初始接觸間距;p為接觸點對的接觸壓力;h為兩個接觸面在該點處的相對位移(以嵌入為正);hc=hc+1hc=hc+1。初始接觸間距c和特征接觸力p0如圖1所示,當h=0時,p=p0?？梢钥闯?當兩側(cè)接觸面處于張開狀態(tài)時,接觸壓力為零,而隨著縫面之間靠近并相互擠壓,則接觸壓力呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系增大。通過合理選取c和p0值,可實現(xiàn)兩側(cè)縫面之間的張開與閉合力學行為光滑平順過渡,同時控制接觸面間的可能嵌入深度為可接受的微量,從而保證高拱壩橫縫非線性動力計算在滿足精度要求的同時,提高收斂效率。本文的計算模型中,c和p0取值分別為0.005mm和50MPa。1.2阻尼器兩端相對近接口壓力值v黏滯阻尼器阻尼力的力學模型為F=sign(v)C|v|ζ(3)F=sign(v)C|v|ζ(3)式中:F為阻尼力;v為阻尼器兩端的相對速度,sign(v)表示v的速度方向,阻尼器兩端相對靠近時取正;C為黏滯阻尼系數(shù);ζ為黏滯流體的流動系數(shù)。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結(jié)點上,如圖2所示,本文計算采用法國的堅利特(Jareet)阻尼器,其黏滯阻尼系數(shù)C=8.50MN·s0.08/m0.08,流動系數(shù)ζ=0.08。1.3鋼筋彈性模量及布置位置本文采用彌散式鋼筋模型,取橫縫上一個加筋的單元接觸面,當鋼筋沒有屈服時,縫面單元上鋼筋的總剛度為Kns=EsA0l(4)Κns=EsA0l(4)式中:l表示縫面兩側(cè)鋼筋總的自由段長度;Es為鋼筋的彈性模量;A0為單元接觸面上的鋼筋截面面積總和;Kns是縫面單元上鋼筋等效彌散剛度。當鋼筋進入塑性屈服階段時,采用理想彈塑性模型,如圖3所示。根據(jù)已有的研究成果,取鋼筋直徑D=40mm,鋼筋最小間距為10D,橫縫兩側(cè)的鋼筋自由段長度共取8m(每側(cè)為4m)。鋼筋彈性模量為210GPa,屈服強度為310MPa,地震中動彈性模量取為273GPa。鋼筋布置位置如圖4所示,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鋼筋,配筋高度為35m。上、下游配筋面積均為234.4m2。2模量、質(zhì)量和阻尼比某拱壩高210m,頂拱弧長609.8m,壩體最大厚度55m。壩體混凝土彈性模量24GPa,泊松比0.17,密度2.4t/m3。計算模型中,共模擬了25條橫縫,中縫設置在拱冠處,左右兩側(cè)各有12條橫縫,從右岸至左岸依次編號為1~25?；A靜彈性模量為12.36GPa,泊松比為0.245,在所有的分析中動彈性模量均取為靜彈性模量的1.3倍。質(zhì)量采用無質(zhì)量地基模型模擬。阻尼比取0.05。分析中考慮的荷載包括:壩體自重(按分縫自重考慮);上游庫水靜水壓力(采用上游庫水深195m的低水位進行計算);上游庫水動水壓力(按附加質(zhì)量考慮);地震荷載(采用設計院提供的規(guī)范譜三向加速度時程),100年超越概率2%,峰值加速度標定值0.5422g。在多種工況計算中,本文選擇了比較有代表性的5種工況進行比較分析。工況1:無任何加固措施;工況2:橫縫上游面頂部設置5臺阻尼器;工況3:僅在第3和第24條橫縫上游面頂部設置5臺阻尼器;工況4:頂部35m范圍內(nèi)按最大配筋率(0.785%)配筋;工況5:第1~22條橫縫配筋率0.39%,第23~25條橫縫配筋率0.585%,第24條橫縫上游面頂部設置6臺阻尼器。3結(jié)論分析3.1阻尼器位置的影響如圖5所示,無加固措施時(工況1)開度包絡線在第3條橫縫和第24條橫縫上出現(xiàn)峰值,其開度峰值分別為12.83mm和21.49mm,在每條橫縫的上游設置5個阻尼器以后(工況2),多數(shù)的橫縫最大開度都有減小的趨勢,其中第3條橫縫和第24條橫縫的開度分別從12.83mm和21.49mm減小到11.73mm和18.60mm,說明阻尼器對橫縫開度有一定的限制作用。如果僅在開度包絡峰值出現(xiàn)的第3和第24條橫縫設置5臺阻尼器(工況3),可以看到在中部絕大多數(shù)橫縫開度與工況1相同,第3和第24條橫縫的最大開度分別降至9.55mm和16.47mm,其降幅比每條橫縫均設置5個阻尼器要大。由此可見,設置阻尼器后的局部效應很明顯,設置阻尼器的橫縫最大開度減小,而相鄰橫縫最大開度則有一定程度的提高,其中第25條橫縫更是升高到了17.82mm,成為新的峰值,但仍舊小于工況2的峰值18.60mm。對比工況2和工況3,工況3所用材料僅為工況2的2/25,在控制開度包絡上卻優(yōu)于工況2。但是,由于地震的隨機性,出現(xiàn)最大開度橫縫的位置有可能變化,因此,如何選擇設置阻尼器的位置還需要進一步研究。對比工況1、工況2以及工況3中第24條橫縫的開度時程(見圖6),可以看出,在設置了阻尼器以后,拱壩橫縫張開與閉合的非線性響應與時步的變化規(guī)律沒有改變,只是該橫縫的開度時程在每一個峰值都有所降低,工況3的效果尤為明顯。3.2局部強度阻尼器組合方案根據(jù)以往的研究成果,跨橫縫鋼筋的間距為10倍鋼筋直徑,本文初步擬定的配筋方案采用?40@400,計算得到最大配筋率為0.785%。在每條橫縫上布置插筋,取自由段長度為8m,錨固長度為2m,則單根跨縫鋼筋為12m,計算結(jié)果如圖7中工況4所示,可以看到在最大配筋率情況下,絕大多數(shù)橫縫的最大開度都降到了10mm以下,而僅有少量橫縫最大開度略大于10mm?？梢娫诿織l橫縫進行配筋加固有明顯作用。該方案的插筋總用量約為8000t。為減少鋼筋用量,在減小配筋率的同時,局部峰值部位設置阻尼器可能是一個較優(yōu)的方案。在進行多次比較計算后得到的一個較優(yōu)組合方案為工況5組合方案。工況5的計算結(jié)果與工況4相近,而且第23~25條橫縫的最大開度值非常接近。工況5的插筋總用量約為4200t,比工況4減少了約3800t,只是壩頂增加了6臺阻尼器。工況1,4,5中第24條橫縫的開度時程比較如圖8所示,表現(xiàn)出了和圖6相似的規(guī)律,說明設置跨橫縫鋼筋對拱壩橫縫張開與閉合的非線性響應變化規(guī)律仍舊沒有改變,只是開度峰值有所降低,并且將13.5s附近的最大峰值降低到10mm左右。4阻尼器的配置a.阻尼