特高拱壩壩面鋼筋抗震效果研究

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摘要:特高拱壩在強(qiáng)烈地震作用下壩體橫縫易于張開，拱梁應(yīng)力重新分配，影響拱壩整體性和抗震安全性。以大崗山特高拱壩為工程背景，采用三維非線性有限元數(shù)值分析方法，對壩體中上部布設(shè)拱向跨縫鋼筋、梁向限裂鋼筋抗震措施的效果進(jìn)行分析。研究結(jié)果表明:拱向跨縫鋼筋對控制橫縫張開度效果較為顯著，梁向鋼筋對抑制大壩地震損傷效果十分顯著，研究成果為指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

關(guān)鍵詞:特高拱壩;拱壩抗震鋼筋;抗震設(shè)計(jì);非線性有限元

1研究背景

為提高強(qiáng)震區(qū)200m以上特高拱壩的抗震性能，降低水庫的安全風(fēng)險，在大壩抗震措施中需采取必要的非工程措施和工程措施。其中非工程抗震措施包括大壩地震安全預(yù)警系統(tǒng)、壩體及壩肩結(jié)構(gòu)性能監(jiān)測系統(tǒng)、大壩安全事故應(yīng)急措施以及大壩管理人員培訓(xùn)等;工程抗震措施包括拱壩體形優(yōu)化、壩基交接面附近設(shè)置底縫和周邊縫、配置抗震鋼筋、橫縫間布設(shè)阻尼器、設(shè)置適應(yīng)橫縫張開大變形的止水、壩體上部設(shè)置預(yù)應(yīng)力鋼索、優(yōu)化壩體混凝土強(qiáng)度等級分區(qū)以及兩岸壩肩巖體的抗滑穩(wěn)定措施等［1－4］。近年來諸多研究表明，特高拱壩的橫縫在強(qiáng)烈地震作用下很容易張開，而且壩址河谷寬深比越大，橫縫張開的可能性和開度也越大。橫縫張開可能導(dǎo)致縫間止水的破壞和拱梁應(yīng)力的重新分配，降低拱的作用，增大梁向應(yīng)力，影響拱壩的整體性和抗震安全性。因此，采取抗震措施控制橫縫的張開度、增強(qiáng)壩體梁向抗裂能力是特高拱壩抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，而在大壩中上部配置拱向跨縫鋼筋、梁向限裂鋼筋是最為直接的措施［5－10］。朱伯芳［11］提出了跨橫縫鋼筋的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和設(shè)計(jì)方法;張楚漢等［12］論證了橫縫配筋控制措施的可行性和可靠性;龍渝川等［13］研究指出拱壩梁向配筋可以降低地震作用下拱壩的橫縫開度與拱向位移，限制沿壩厚方向的裂縫擴(kuò)展范圍，因而有助于提高拱壩的抗震安全性能。溪洛渡、錦屏一級和小灣拱壩均采取了壩面布設(shè)鋼筋的抗震措施［14］。大渡河大崗山混凝土雙曲拱壩最大壩高210m，大壩體形特征參數(shù)和技術(shù)指標(biāo)見表1［15］。壩址區(qū)域構(gòu)造穩(wěn)定性較差，地質(zhì)條件十分復(fù)雜，地震活動性強(qiáng)烈，大壩水平向設(shè)計(jì)地震動峰值加速度高達(dá)0.5575g，為世界高拱壩之最［16］。振動臺動力模型試驗(yàn)與數(shù)值分析均表明:大壩上游面頂部拱冠部位、中部高程部位以及壩體－基礎(chǔ)交接面附近的靜動綜合應(yīng)力水平較高，均是抗震安全的薄弱部位［17］。本文以大崗山特高拱壩為工程背景，采用三維非線性有限元數(shù)值分析方法，對壩體中上部布設(shè)拱向跨橫縫鋼筋、梁向限裂鋼筋的抗震效果進(jìn)行論證，研究成果可為特高拱壩壩面抗震鋼筋的設(shè)計(jì)提供參考。

2計(jì)算原理與計(jì)算條件

2．1本構(gòu)模型。2．1．1混凝土模型。壩體混凝土采用Lee和Fenves提出的塑性損傷模型［18］，該模型基于連續(xù)損傷力學(xué)與塑性理論，可以模擬剛度退化變量與本構(gòu)關(guān)系的塑性變形非耦聯(lián)的、適用于循環(huán)加載的混凝土塑性損傷，采用兩個損傷變量分別描述不同損傷狀態(tài)下的張拉與受壓破壞。沈懷至等［19］采用該模型研究了混凝土壩體地震開裂以及配筋后的抗震性能，并以Koyna壩為例驗(yàn)證了配筋抗震措施的有效性。考慮到高拱壩受到強(qiáng)地震荷載作用時，壩體的抗震安全性以拉應(yīng)力為控制指標(biāo)，而壓應(yīng)力一般不會達(dá)到抗壓強(qiáng)度，因此在分析中僅考慮混凝土的張拉軟化，不考慮混凝土因受壓而引起的剛度退化。混凝土線性軟化關(guān)系曲線如圖1所示。當(dāng)混凝土承受的拉應(yīng)力未達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度時，混凝土處于線彈性階段;達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度后，混凝土剛度退化，處于軟化階段;在軟化階段某點(diǎn)卸載，沿著退化后的剛度卸載，卸載到零后，殘留有包括微裂紋在內(nèi)的不可恢復(fù)的應(yīng)變;再加載時，沿著卸載路徑加載。εu為極限拉應(yīng)變，εe為彈性應(yīng)變，εp為塑性應(yīng)變，ft為混凝土單軸抗拉強(qiáng)度，Gf為斷裂能，lh為單元特征尺寸，取為單元積分點(diǎn)所控制體積的立方根值。軟化以后的剛度見式(1):E=(1－d)E0(1)式中，E0和E分別表示初始剛度和軟化以后的剛度;d為損傷因子，0≤d≤1，當(dāng)d=0表示混凝土處于線彈性，d=1表示完全破壞，剛度退化為零。2．1．2橫縫接觸模型。由于橫縫設(shè)有鍵槽，在模擬時不考慮縫面切向的剪切滑移，只考慮縫面法向在地震過程中的開合效應(yīng)。拱壩橫縫面的法向相對位移vi和縫應(yīng)力qi之間為非線性關(guān)系，橫縫抗拉強(qiáng)度對壩體非線性反應(yīng)幾乎無影響［20］，因此在模擬拱壩橫縫力學(xué)行為時忽略橫縫的抗拉強(qiáng)度，qi和vi滿足［5］:qi=kivivi≤00vi＞{0(2)式中，ki為縫閉合時的剛度。2．1．3橫縫配筋模型。跨橫縫鋼筋由橫縫兩側(cè)的鋼筋自由段(鋼筋與周圍混凝土脫開)和錨入壩體混凝土內(nèi)的粘結(jié)段組成，因不考慮鋼筋與混凝土的滑移，由自由段變形控制了橫縫的開度［5－8］。采用傳統(tǒng)鋼筋混凝土有限元理論中的整體式模型來模擬鋼筋的宏觀效果，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，其等效彈簧值為Fs=KnsΔL(3)Kns=EsA0/l(4)式中，Kns為縫面單元上鋼筋等效彌散剛度，ΔL為橫縫開度，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，本文自由段長度取為4m［7］。2．2有限元模型。基于大型通用有限元軟件ABAQUS及二次開發(fā)進(jìn)行計(jì)算。模型模擬了壩體全部28條橫縫;壩基為無質(zhì)量截?cái)嗟鼗M為非均勻彈性介質(zhì);地震荷載為抗震設(shè)計(jì)規(guī)范譜反演人工地震波。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，概率水準(zhǔn)為100a超越概率2%，水平向最大峰值加速度為0.5575g，豎向取為水平向值的2/3，地震由截?cái)嗟鼗吔缛蚓鶆蜉斎搿橹攸c(diǎn)模擬壩體中上部可能發(fā)生的損傷斷裂行為，對壩體中上部單元離散網(wǎng)格進(jìn)行了細(xì)化。細(xì)化范圍沿橫河向約為240m，沿高度方向從壩頂往下約63m，大體涵蓋了按線彈性材料計(jì)算得到的大壩高拉應(yīng)力區(qū)范圍。該部位單元沿壩面方向尺寸控制在2.0m左右，以便能較好地表征混凝土發(fā)生損傷斷裂后的軟化現(xiàn)象。模型如圖2所示。低水位是地震過程中壩體橫縫張開的控制工況，對于拱壩抗震安全極為不利，因此選擇庫水位為死水位1120m進(jìn)行計(jì)算，此時水庫深195m。靜荷載為分縫自重+水壓力+泥沙壓力+設(shè)計(jì)溫升。

3拱向跨縫鋼筋抗震效果分析

3．1計(jì)算方案。共考慮了3個橫縫配筋方案，即由壩頂向下分別在15，30，50m范圍內(nèi)的配置由左岸至右岸通長的跨橫縫鋼筋(分別記為方案1～3)，上、下游壩面沿厚度方向各配置2排φ40鋼筋，間距為50cm，鋼筋采用Ⅲ級鋼，彈性模量取為200GPa。3．2結(jié)果分析。設(shè)置跨橫縫鋼筋前后的應(yīng)力和橫縫最大開度極值計(jì)算成果如表2所示。由位移成果可知，配置跨橫縫鋼筋后(梁向配置分布鋼筋)，大壩位移分布規(guī)律及位移最大值均未發(fā)生明顯變化，與文獻(xiàn)［5］與［21］中對拱壩跨橫縫配筋后的研究結(jié)果一致。配置跨橫縫鋼筋后，最大開度分布曲線的規(guī)律和極值發(fā)生了明顯變化，峰值位置由左岸壩肩轉(zhuǎn)移到拱冠梁附近，但總體上各橫縫最大開度值沿頂拱分布趨于平緩。從量值來看，配置橫縫鋼筋后整體開度值均顯著降低，對各配筋方案，橫縫最大開度由無筋工況的18.67mm分別減小到13.27，11.65，10.85mm。配置跨橫縫鋼筋后，應(yīng)力分布的規(guī)律和極值沒有發(fā)生明顯變化。由于跨橫縫鋼筋對橫縫拱向的約束作用，使得拱向的拉應(yīng)力極值略有增加，而梁向拉應(yīng)力得到一定程度的改善，但量值變化幅度都比較小。綜合比較橫縫開度和應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可得:橫縫鋼筋對于控制橫縫張開度有一定的作用，但對壩體應(yīng)力的改善，特別是對梁向拉應(yīng)力的減小作用較微弱，最多不超過5%。

4梁向限裂鋼筋抗震效果分析

4．1計(jì)算方案。壩體梁向布置鋼筋與拱向布置的分布鋼筋形成鋼筋網(wǎng)。梁向配置φ40的鋼筋，間距取30cm，拱向配置φ28的分布鋼筋，間距為50cm。計(jì)算了以下3種不同的方案，對配置梁向鋼筋的抗震加固效果進(jìn)行比較分析:①不配置梁向鋼筋;②方案1，高應(yīng)力區(qū)配置上游3排下游3排的梁向鋼筋;③方案2，高應(yīng)力區(qū)配置上游3排下游4排的梁向鋼筋。4．2結(jié)果分析。各方案計(jì)算壩體沿頂拱最大動位移分布曲線如圖3所示。由圖3可以看出:配筋后壩體向上游的位移有非常明顯的減小，向下游位移變化不大。說明梁向配筋很大程度上增強(qiáng)了拱壩的整體性。設(shè)置梁向鋼筋后，橫縫開度總體規(guī)律沒有本質(zhì)變化，但各橫縫開度的量值有不同程度的減小，說明梁向配筋明顯加強(qiáng)了壩體的整體剛度。方案1開度最大的橫縫位置由不配筋的拱冠梁附近轉(zhuǎn)移到兩側(cè)壩肩部位，最大橫縫開度由18.67mm減小到13.82mm。兩個配筋方案對橫縫開度的影響差異較小。3個方案上下游壩面及拱冠梁截面的損傷斷裂隨地震荷載作用時間的發(fā)展演化過程如表3所示。上下游壩面損傷斷裂區(qū)如圖4～6所示。拱冠梁截面的損傷斷裂區(qū)分布比較如圖7所示。計(jì)算結(jié)果表明:(1)在不配置梁向鋼筋條件下，地震結(jié)束后壩體中上部的混凝土出現(xiàn)了較大范圍的損傷，該部位恰好對應(yīng)基于線彈性材料考慮橫縫非線性計(jì)算所得的高拉應(yīng)力區(qū)。從圖7(a)也能看出，在壩厚方向損傷已經(jīng)貫穿了上下游，最大損傷因子達(dá)到了0.94。由損傷區(qū)隨著地震荷載作用時程的發(fā)展來看，損傷都是最先出現(xiàn)在拉應(yīng)力水平較高的下游壩面中上部。隨著地震的發(fā)展，損傷區(qū)向四周和向上游面擴(kuò)展，在t=8s時上下游面損傷區(qū)基本貫穿。(2)在配筋方案1條件下，損傷區(qū)的出現(xiàn)還是從壩體中上部的下游面開始，但隨著地震時程的發(fā)展，損傷區(qū)擴(kuò)展程度得到明顯緩和，到t=8s時刻，損傷區(qū)就已經(jīng)基本穩(wěn)定，此時只在靠近下游面約1/3壩厚的很小范圍內(nèi)有損傷出現(xiàn)，損傷因子也由不配筋條件下的0.94減小到0.20。(3)在配筋方案2條件下，壩體損傷情況進(jìn)一步得到緩解，到t=8s時刻，損傷區(qū)基本穩(wěn)定。此時只在下游面很小范圍內(nèi)有損傷出現(xiàn)，沿壩厚方向損傷因子大于0.10的損傷區(qū)域基本是在很靠近下游壩面很小的范圍。綜合3個方案計(jì)算結(jié)果可知:在壩體中上部配置上、下游壩面梁向鋼筋(實(shí)際形成鋼筋網(wǎng))，對抑制大崗山拱壩因地震荷載作用而發(fā)生損傷斷裂具有顯著效果。

5結(jié)語

(1)配置跨橫縫鋼筋對于大壩橫縫張開度的控制效果較為顯著。對于大崗山拱壩，如果在壩體中上部布設(shè)跨橫縫鋼筋，不同方案可使橫縫最大開度減小29%～42%以上，但對拱壩梁向的高拉應(yīng)力改善效果不明顯。(2)在壩體中上部配置上下游壩面梁向鋼筋，對抑制壩體混凝土因地震荷載作用而發(fā)生損傷斷裂的效果十分顯著。拱壩上下游壩面配置3排梁向鋼筋，使得原來上下游貫通的損傷區(qū)基本上縮小為只是靠近下游壩面約1/2壩厚的范圍內(nèi)，最大損傷因子也由不配筋條件下的0.94減小到0.20。另外，配筋使最大橫縫開度減小了約26%，由18.67mm減小至13.82mm。(3)本文對大崗山高拱壩配置跨橫縫鋼筋及梁向限裂鋼筋的抗震措施效果進(jìn)行了敏感性分析及評價，對指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)具有一定的參考價值，但因未考慮無限地基輻射阻尼對地震效應(yīng)的削弱作用，因此計(jì)算成果比實(shí)際壩體地震響應(yīng)有所偏大。

作者:李方平 單位:國電金沙江旭龍(奔子欄)水電開發(fā)有限公司