混凝土損傷模型及高拱壩破壞模式研究

本項目在項目負(fù)責(zé)人帶領(lǐng)下，項目組全體研究人員，依照項目申請書，進(jìn)行了各項研究工作?？傮w來說，進(jìn)展順利，各項研究工作有序、按時開展，順利完成了申請書中各項研究工作，取得了一些有價值的研究成果，為此類問題的后續(xù)研究工作打了很好的基礎(chǔ)。 本項目發(fā)表標(biāo)注基金資助的學(xué)術(shù)論文24篇，其中EI 檢索論文11篇，SCI檢索論文2篇；培養(yǎng)博士研究生2名，碩士研究生2名。本項目在人才培養(yǎng)和學(xué)術(shù)成果方面都達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)。 本項目共收到基金委資助37萬元，截止2014年2月14日，共支出37萬元，無結(jié)余。經(jīng)費的使用按國家自然基金經(jīng)費管理辦法進(jìn)行，實際執(zhí)行情況和原申請書中預(yù)算基本一致，無較大的變動。 本項目主要研究內(nèi)容及成果如下： （1）項目申請人之前提出了一種以等效應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的混凝土損傷模型，本項目通過一系列的構(gòu)件-梁、板等，進(jìn)行了拉、壓試驗以模擬單向受力和雙向受力應(yīng)力狀態(tài)，并依據(jù)申請人提出的損傷模型進(jìn)行數(shù)值模擬，用試驗結(jié)果和數(shù)值計算結(jié)果驗證了這種等效應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的混凝土損傷模型可以應(yīng)用于單向和雙向受力狀態(tài)，為后面分析拱壩復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)提供了充分的理論和數(shù)據(jù)支持。 （2）有限元數(shù)值模擬中，網(wǎng)格尺寸對計算結(jié)果影響非常大?；诖耍卷椖繉侠砭W(wǎng)格尺寸進(jìn)行了研究，提出了網(wǎng)格局部加密過程及其處理方法，并以溪洛渡高拱壩為例，提出了失衡力和位移收斂容差取10-5較為合理。 （3）在單向和雙向應(yīng)力狀態(tài)基礎(chǔ)上，本項目設(shè)計制作了一個混凝土拱壩模型，以驗證復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下，拱壩的破壞準(zhǔn)則，由單軸應(yīng)力狀態(tài)推多軸應(yīng)力狀態(tài)，試驗結(jié)果驗證了四參數(shù)損傷模型可以用于分析三向應(yīng)力狀態(tài)，為本損傷模型在工程上應(yīng)用提供了數(shù)據(jù)支持。本試驗材料全部采用混凝土澆筑，這在水利行業(yè)結(jié)構(gòu)試驗中尚屬前列。 （4）本項目結(jié)合了溪洛渡高拱壩實例，探討分析了影響大壩上游面開裂的因素，建立了以損傷模型和可靠度為基礎(chǔ)的混凝土高拱壩可能破壞模式及可靠度分析方法。 2100433B

我國已基本建成的拉西瓦、小灣電站和正在興建的溪洛渡、錦屏及白鶴灘等電站均是300米級的高拱壩,確保工程安全運行至關(guān)重要。但目前我國高拱壩設(shè)計主要依據(jù)的設(shè)計準(zhǔn)則是拱梁分載法，不能反映拱壩的可能的局部破壞及破壞后對大壩工作性態(tài)的影響。非線性有限元分析是合理的途徑，但分析成果是否可靠取決于混凝土力學(xué)特性的合理描述及分析方法的準(zhǔn)確程度。本課題擬研究：（1）通過小結(jié)構(gòu)混凝土試驗，完善申請人提出的以等效應(yīng)變?yōu)榛A(chǔ)的混凝土損傷模型，合理反映尺寸效應(yīng)的影響；（2）損傷發(fā)展過程的漸進(jìn)網(wǎng)格加密方法，以實現(xiàn)拱壩局部損傷發(fā)生和發(fā)展過程的快速合理模擬；（3）高拱壩荷載及材料特性的隨機(jī)性，可能破壞模式與失效概率分析方法；（4）結(jié)合溪洛渡高拱壩，分析其在自重、水壓力和溫度作用下的破壞模式與可靠度。從而建立以損傷模型和可靠度為基礎(chǔ)的混凝土高拱壩可能破壞模式及可靠度分析方法。

作為我國超高壩的主要壩型，高拱壩具有良好的超載能力及經(jīng)濟(jì)性，但同時其安全性也因高壩、大庫容、復(fù)雜環(huán)境條件等因素的影響而備受關(guān)注。為提高高拱壩健康監(jiān)測水平，研究準(zhǔn)確高效的損傷識別算法是目前的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，本研究擬在考慮材料參數(shù)、外界作用及測量數(shù)據(jù)不確定性的情況下，建立適于高拱壩損傷識別的模型修正方法。主要內(nèi)容有：（1）采用模糊變量描述復(fù)雜高拱壩結(jié)構(gòu)的不確定性，針對高拱壩損傷特點，研究結(jié)合正則化過程的模糊模型修正方法，從修正參數(shù)隸屬函數(shù)提取結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)；（2）充分利用高壩長期監(jiān)測系統(tǒng)，以大壩變形等結(jié)構(gòu)響應(yīng)的長期時間序列為輸入數(shù)據(jù)，建立卡爾曼濾波框架下的遞推型修正算法；同時考慮溫度場分布等時變模糊因素的影響，采用模糊擴(kuò)展卡爾曼濾波方法進(jìn)行高拱壩損傷識別。本研究將從數(shù)值模擬、模型實驗及原型觀測等方面分析、驗證損傷識別方法的可靠性，為高拱壩運行期間的在線監(jiān)測、安全評價等提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

作為我國超高壩的主要壩型，高拱壩具有良好的承載能力及經(jīng)濟(jì)性，但同時其安全性也因高壩、大庫容、復(fù)雜環(huán)境條件等因素的影響而備受關(guān)注。為提高高拱壩健康監(jiān)測水平，研究準(zhǔn)確高效的損傷識別算法是目前的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，本項目課題組根據(jù)研究計劃要點和研究計劃進(jìn)度，擬定了詳細(xì)的研究方案，采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗相結(jié)合的研究方法，針對結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性大、反演算法不適定強(qiáng)等難點，運用模型修正以及濾波類方法作為基本反演分析工具，結(jié)合正則化技術(shù)對結(jié)構(gòu)損傷識別算法進(jìn)行改進(jìn)，重點研究了高拱壩結(jié)構(gòu)分區(qū)等效彈性模量的檢測與診斷，全面完成了研究計劃內(nèi)容，取得了預(yù)定的研究成果。相關(guān)進(jìn)展和研究成果主要包括：（1）時變溫度場作用下高拱壩有限元模型的建立與靜動力分析；（2）適于高拱壩結(jié)構(gòu)損傷識別的正則化模型修正方法：具體包含基于響應(yīng)面方法的模型修正、基于DS證據(jù)理論的靜動力反演數(shù)據(jù)融合、不同正則化策略的模型修正算法等；（3）結(jié)合正分析先驗信息的震后高拱壩模糊損傷識別方法，具體包括高拱壩彈塑性抗震分析以及可能的損傷模式、基于損傷模式種群篩選的遺傳算法、基于改進(jìn)遺傳算法的高拱壩模糊損傷識別方法等；（4）基于高拱壩長期變形數(shù)據(jù)的濾波類損傷識別方法，具體包括基于長期拱壩變形數(shù)據(jù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波損傷識別方法、結(jié)合1范數(shù)正則化的無跡卡爾曼濾波方法、具有損傷識別和傳感器故障診斷功能的聯(lián)邦卡爾曼濾波方法、結(jié)合零變異改進(jìn)的PSO粒子濾波算法、集員濾波區(qū)間反演算法及其改進(jìn)等。本課題研究成果有助于提高高拱壩結(jié)構(gòu)損傷定位及定量評估的準(zhǔn)確性與可靠性，有利于保障高拱壩結(jié)構(gòu)的安全性，并為高拱壩在線監(jiān)測和損傷識別提供了必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。 2100433B