进水塔弹塑性损伤分析与抗震优化研究

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进水塔是水利枢纽输水系统的最前端建筑物,是宣泄洪水的安全通道,在地震作用下若遭到破坏,泄水功能将无法发挥作用,库水位迅速上升,此种情况严重威胁到整个水利枢纽的安全,更威胁到下游人民、财产的安全,因此关于进水塔在地震作用下的动态响应分析与安全性分析具有实际意义。进水塔结构型式,边界条件,荷载作用复杂,而且进水塔塔体混凝土材料在地震往复荷载作用下,其强度、刚度会在往复作用进程中逐渐降低,所以把这些复杂、真实的因素都考虑进去,对进水塔进行弹塑性损伤动态分析,以及根据分析结果对进水塔进行抗震优化设计与安全分析具有实际意义。  本文根据能量等价原理并结合混凝土设计规范,建立了进水塔混凝土弹塑性本构关系与损伤模型,结合实际进水塔工程,建立了塔体-地基三维有限元模型,研究了考虑混凝土损伤与不考虑混凝土损伤两种情况下的进水塔地震响应。结果表明:在应力集中区考虑混凝土损伤塔体的应力比不考虑损伤塔体的应力有所增大,大应力区扩张;塔体拉压损伤发生的部位主要集中在塔体几何突变部位,塔体与回填混凝土交界区域(塔体腰部)损伤较为严重,而且随着地震作用时间增加,破坏程度加重,破坏区域向四周扩张。另外本文根据分析得到的进水塔损伤破坏结果以及其他学者的研究,针对性的对塔体与回填混凝土交界区域损伤严重问题进行抗震优化分析与研究,并合理的把原塔背回填混凝土的上角部三角形区域替换成刚度较低的石渣回填,通过数值分析,研究了替换前后塔体的响应情况。结果表明:塔体与回填交界角部区域最大应力大幅减小,损伤程度降低;大应力位置向下偏移,且区域变大、变宽,这些说明这种方法有效的改善了进水塔结构的动态响应状态。研究成果对进水塔结构的抗震与安全具有重要意义,可供类似工程借鉴。
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