基于ABAQUS/Standard的地震响应分析

基于ABAQUS/Standard的印度戈亚纳大坝重力坝地震响应分析


案例背景与问题描述

印度的戈亚纳大坝是一个典型的重力坝案例，其在1967年遭受了里氏6.5级地震的考验。该大坝面临的问题包括：地震后的40米坝顶处出现了多条水平裂缝，下游面出现了严重的漏水现象，但水库水位并未显著下降，坝顶以及表面的其他构筑物遭受了极大破坏，特别是在大坝头部转折处，裂缝严重。为了更深入地理解戈亚纳大坝在实际地震作用下的结构响应与稳定性，本研究采用ABAQUS/Standard软件进行分析，特别关注于混凝土塑性损伤模型的应用，旨在量化结构破坏与稳定性的关系。

本构模型与材料特性




戈亚纳大坝模型首先采用的是基于ABAQUS内部混凝土塑性损伤本构模型，重点放在混凝土的拉伸特性上。材料的抗拉强度定义为抗压强度的10%乘以动力放大因子1.2的乘积，该放大因子考虑到率相关性的影响。为了避免在网格疏密不同条件下得到分析结果的不确定性（网格敏感性问题），损伤变量的使用代替了传统的应力非弹性应变曲线，即以断裂能量作为破坏准则。通过位移损伤值（dt）曲线，捕捉到材料在拉伸卸载后的刚度损伤变化。同时假设在压缩过程中材料未达到其抗压极限，因此压缩过程中的刚度退化dc设为0。

阻尼特性的模拟

考虑到混凝土坝通常具有的2~5%的临界阻尼比，模拟中采用了ABAQUS材料特性模块提供的瑞利阻尼。其中，忽略了质量矩阵比例系数alpha的情况，使用第一阶固有频率来估算刚度矩阵比例系数（β），计算公式为β = 3.23e3 = 2 ξi/ωi。尽管材质阻尼在许多实际情况下很重要，通过量度阻尼力与材质刚度的比例（通过试验确定β值），可以有效表达阻尼对系统响应的影响，尤其是在低频段与高频段。

分析步与控制

本次分析按照三项主要步骤进行：首先，施加自身重力及静水压力载荷以模拟常态结构响应；其次，通过Westergaard方法模拟地震期间上游面与水体的动态相互作用；最后，使用迭代时间步方法施加地震波载荷，并辅助水动力互作用（通过用户单元子程序UEL实现），同时借助地面加速图的垂直分量（图b）和水平分量（图a）信息，将地震波效应传递至坝体整体结构中去。

为确保分析结果稳定性和收敛性，引入了自动时间增量控制策略，并基于混凝土塑性机制对该方法未连接性进行优化。设定半分析步残余容差为10E7，总分析时长不超过10秒的总仿真时间控制为10秒，最大时间增量为0.02秒。

结果与讨论

分析结果显示，大坝左上角顶点相对于地面的水平运动有明显的增大，但在初始地震4秒内，坝顶位移依旧保持在30mm以内，这一现象随后迅速恶化，显示出在剧烈地震活动下的模型位移大幅增加趋势，从而增加了结构破坏的风险。

损伤分析中，特别是陡增的DAMAGET（dt）值表明拉伸区域能够累积显著的破坏，而综合损伤变量SDEG（d）的变化则反映了裂缝的动态过程，它们在压缩和恢复阶段反映出重要变化。

图形结果直观表示了不同时刻大坝上损伤变量的空间分布变化，通过超过阈值的dt值突出损坏位置，导致裂纹分布的演化解释了材料的破坏趋势，对比实际破坏行为具有高度一致性。