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水 利 学 报

2021 年 8 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 8 期

文章编号：0559-9350（2021）08-0927-09

动态循环荷载下大坝混凝土拉压转换损伤本构模型构建及影响研究

涂 劲，李德玉，郭胜山，李春雷，王海波
（中国水利水电科学研究院 工程抗震研究中心，北京 100048）

摘要：目前混凝土坝抗震安全评价中，对于动态循环荷载下大坝混凝土损伤本构模型中从受拉状态向受压状态转
变过程（拉压转换）中的混凝土弹性模量变化，一般都基于商用软件 ABAQUS 的“单边效应”假设，认为混凝土弹性
模量立即恢复为初始弹性模量。上述假设的合理性缺乏试验验证，直接影响混凝土坝抗震安全评价的可靠性。通
过对全级配大坝混凝土拉压转换全过程试验成果的观察分析，发现混凝土从受拉状态进入受压状态后弹性模量并
非立即恢复为初始弹性模量，而是由损伤后弹性模量连续渐进恢复至初始弹性模量，期间原有的受拉残余应变在
压应力作用下迅速减小到较小数值，因此 ABAQUS 的“单边效应”假设并不符合实际情况。本文以全级配大坝混凝
土拉压转换全过程试验成果为基础，提出受拉损伤发生后，拉压转换时受压应力应变关系采用双折线模型的思
路，据此推导了相应的应力-应变关系解析表达式，构建了更接近混凝土拉压转换时真实状况的本构关系数值模
型。通过实际工程的计算分析，发现常用的受压弹性模量立即恢复为初始弹性模量的损伤本构模型过高估计了坝
体刚度，可能带来偏于不安全的评价结果。
关键词：拉压转换；大坝混凝土；动态损伤；刚度恢复；动态循环荷载；本构模型
中图分类号：TV431 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20210238

1 研究背景

高混凝土坝强震响应分析属于多介质耦合的强非线性动力问题，其中大坝混凝土损伤开裂发生
发展的演化过程是研究重点之一 ［1-2］ 。构建大坝混凝土动态损伤演化数值模型是以计算分析手段研究
地震作用下混凝土坝地震损伤演化、评价大坝抗震安全的基本前提。在一些混凝土结构的动态损伤
分析中，常使用弹性损伤本构模型 ［3-5］ 和弹塑性损伤本构模型 ［6-7］ ，国内学者也将其用于大岗山拱坝等
实际大坝工程的非线性动力分析中 ［8-10］ 。但是弹性损伤本构模型不能考虑材料损伤后发生的残余变
形，而弹塑性损伤模型虽考虑了残余变形，但其基于塑形理论的残余变形计算较适用于描述由晶体
滑移错位形成塑性流动的金属材料，而不适于由微裂缝拓展导致损伤的混凝土材料，因此一些学者
从试验入手，探究新的方法。文献 ［11-12］ 提出了基于材料试验成果建立、计入残余变形影响的大坝
混凝土动态损伤演化模型，考虑混凝土动态受拉损伤，可根据在单轴受拉循环荷载作用下的试验资
料，直接求得损伤过程中残余变形的增长以及卸载与再加载过程中考虑残余应变影响的非线性损伤
弹性模量，从而避免套用并不适用于混凝土的塑性理论，并使损伤演化规律更符合试验结果，计算
也大为简化。但是在受拉损伤后，从受拉状态转为受压状态时，该模型参考 ABAQUS 程序考虑“单边
效应”，认为受压时弹性模量会立即恢复至初始值，在受压状态中始终保持受拉残余变形。
混凝土受拉损伤后进入受压状态时弹性模量立即恢复的数值模型与实际情况不符，实际材料试
验的拉压转换应力-应变曲线显示混凝土进入受压状态后受压模量并非立即恢复为初始弹性模量，而
是由损伤后弹性模量连续渐进恢复至初始弹性模量，其间原有的受拉残余应变在压应力作用下迅速

收稿日期：2021-03-10；网络首发时间：2021-07-27
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20210726.1417.001.html
基金项目：国家重点研发计划项目（2017YFC0404903）；中国长江三峡集团公司科研项目（XLD/2115）
作者简介：涂劲（1973-），教授级高级工程师，主要从事水工结构抗震研究。E-mail：tujin@iwhr.com
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