[发明专利]一种混凝土重力坝运行期裂缝扩展判别方法

说明书

本发明公开了一种混凝土重力坝运行期裂缝扩展判别方法，包括步骤：确定大坝的几何、力学参数及不利工况；建立整体三维有限元模型，获取各种不利工况下大坝应力场和变形场；根据大坝裂缝所在位置和尺寸确定裂缝所在子区域；对每种不利荷载确定相应子区域的边界条件；重新优化裂缝子区域网格划分及节点布置；采用扩展有限元法建立非线性离散控制方程；求解非线性离散控制方程；判断裂缝是否扩展，若裂缝扩展则对扩展后的裂缝增加节点继续计算直至本工况裂缝不扩展，类似地再进行下一个工况直至所有不利工况全部模拟完。本发明实现了变结点扩展有限元和内聚力模型的深度融合，充分考虑了混凝土拟脆性材料的性质，裂缝扩展判别准确高效。

技术领域

本发明属于混凝土重力坝技术领域，具体涉及一种混凝土重力坝运行期裂缝扩展判别方法。

背景技术

我国现有大量的混凝土重力坝，其中许多重力坝存在深度裂缝。裂缝的存在严重影响大坝的整体性和安全性，尤其是沿上下游方向的深度裂缝。现有的裂缝分析方法将混凝土作为线弹性模型，没有准确考虑混凝土的拟脆性材料的性质。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种混凝土重力坝运行期裂缝扩展判别方法，实现了扩展有限元、变结点单元和内聚力模型的深度融合，充分考虑了混凝土拟脆性材料的性质，裂缝扩展判别准确性高、效率高。

本发明提供了如下的技术方案：

一种混凝土重力坝运行期裂缝扩展判别方法，包括以下步骤：

收集混凝土重力坝的几何、力学参数，确定不利荷载组合；

建立大坝的整体三维有限元模型，对于每种不利荷载组合获取相应工况下整体应力场和变形场；

根据大坝裂缝所在位置和尺寸，明确裂缝所在区的子区域；

根据整体大坝的应力场和变形场确定相应不利工况下子区域的边界条件；

根据裂缝分布、子区域的几何材料和结构特征，以提高计算精度为目的重新优化细化裂缝子区域单元及网格划分；

采用扩展有限元法建立非线性离散控制方程；

采用最大拉应力准则模拟裂缝扩展；

求解非线性离散控制方程；

通过最大拉应力准则判断裂缝是否继续扩展，若扩展则根据裂缝扩展情况优化节点，再根据扩展有限元建立非线性离散控制方程模拟裂缝扩展直至本工况作用下裂缝不扩展为止，类似地再进行下一个工况直至所有不利工况全部模拟完。

进一步的，建立大坝包括基础的整体三维有限元模型，其中上下游方向及建基面以下深度各取两倍坝高，根据网格精度和计算稳定性要求进行网格剖分，通过不利荷载组合采用混凝土徐变本构模型和多场耦合有限单元法获得整体大坝的应力场和变形场。

进一步的，根据大坝裂缝所在位置和尺寸，截取裂缝所在平面的包括裂缝长度的多边形区域作为覆盖裂缝的子空间：如果裂缝位于断面边缘，则向坝体内部深度取3倍最大缝长，高度上下各取1.5倍最大缝长形成一个矩形子区域；如果裂缝位于断面中部，又分两种情况：对于连通裂缝区域，裂缝的端部边界到子区域相应边界直线距离不小于整个缝长，且子区域长宽比不大于2；对于邻近的分区裂缝，采用多个连在一起的满足上述要求的多个连在一起的矩形进行完整覆盖。

进一步的，确定不利工况下子区域的边界条件是根据整体大坝的应力场和变形场采用子结构法确定裂缝子区域的边界条件。

进一步的，优化细化裂缝子区域单元及网格划分的方法包括以下步骤：

对于四结点四边形单元，初始裂尖单元的非连续位移场表示如下：