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我国西南地区水电资源丰富,随着水电事业的迅猛发展,一大批水电站即将在该地区投入使用,而这些水电站的挡水大坝多为拱坝的形式。由于我国西南部为地震多发地区,结构抗震问题突出,因此,研究拱坝的动力特性和动力响应、探索高拱坝在强震下的损伤开裂模式已经成为坝工界的研究热点之一。
本文结合拉西瓦拱坝实际工程,基于混凝土塑性力学本构模型,建立了拱坝—地基—库水三维有限元模型,对模型进行了模态分析以及非线性动力计算。分析了高拱坝的自振特性,并计算了动水压力附加质量对拱坝自振特性的影响,计算结果表明动水压力对拉西瓦拱坝动力特性的影响主要表现在对频率的降低,而对于振型的影响并不明显。根据谱分析和瞬态分析的结果,分析研究了拉西瓦拱坝在设计地震荷载作用下的坝体应力及应变分布情况:在设计反应谱激励作用下,坝体位移以顺河向位移为主,最大位移为21.6mm,发生在拱冠梁顶部,坝体应力以横河向的拉应力为主,最大拉应力为1.77MPa,发生在拱冠梁顶部附近;在峰值加速度为0.2g的地震激励作用下,右岸坝肩处出现小范围应力集中现象,最大拉应力达到3.88MPa。在强度超过设计地震的强震激励下,描述了混凝土高拱坝在强震下的损伤开裂模式:坝体裂缝首先出现在坝基面,起裂点往往出现在坝基和坝肩处;随后,在坝顶部位,左、右1/4坝段处出现裂缝,与此同时,坝体与基岩交汇处的裂缝逐渐发展,并且趋于相互交错连接;随着地震荷载的持续,坝顶左右1/4坝段处裂缝不断向下发展,直至坝底,背水面距坝基1/2-2/3坝高附近出现水平裂缝或斜裂缝,其中一部分水平裂缝沿拱的方向拱冠梁发展,另一部分向着基岩方向斜向上发展。