碾压混凝土筑坝作为一种新型的筑坝技术，其优越性越来越明显，因此在水利工程中的应用越来越广泛，相应的规模也越来越大，随着沙牌拱坝(坝高132m)的建成，使得碾压混凝土拱坝跃上了百米以上的台阶。碾压混凝土拱坝的核心问题是温度应力问题，目前进行全过程多因素的仿真分析仍然面临着许多困难，这给工程师们提出了许多挑战性的课题。本文结合国家自然科学基金资助项目《碾压混凝土拱坝诱导缝等效强度研究》(50179002)，针对目前碾压混凝土拱坝温度应力仿真计算方面尚存在的主要问题，从碾压混凝土材料的本构模型、温度场和应力场仿真计算模型、仿真计算的计算量和精度、诱导缝损伤开裂准则等几个方面进行了如下研究工作： 1 碾压混凝土各向异性损伤本构模型 根据碾压混凝土材料的力学特性和损伤拉压显著不同的特点，分别在拉应变和压应变空间建立了碾压混凝土的本构关系和损伤演化方程。在拉应变空间，碾压混凝土的变形特性表现为脆弹性，考虑弹性与损伤耦合，应用正交各向异性损伤理论描述碾压混凝土的刚度退化和应变软化；在压应变空间，考虑弹塑性与损伤耦合，应用内时理论来描述碾压混凝土的弹塑性特性，正交各向异性损伤理论来描述微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化，内时理论没有屈服面，使模型的参数和方程大大减少，从而简化了非线性计算过程。计算结果表明，该模型能够较好地描述碾压混凝土在单轴和多轴加载下的性质。 2 碾压混凝土拱坝温度场仿真计算 根据碾压混凝土坝薄层碾压、连续均匀上升的施工特点，考虑各碾压层混凝土浇筑时间和水化热散发时间的不同，应用Laplace变换法和叠加原理求出了多层板状结构体的温度场理论解答。然后以此解析解为基础，合并多个碾压层为一个浇筑层，建立了温度场等效模型，并给出了复合浇筑层的等效初始温度和等效绝热温升的计算方法。该方法能够较好的模拟碾压混凝土分层碾压的施工过程，便于温度场仿真计算应用。 在大体积混凝土不稳定温度场计算中，无论是向前差分法、中点差分法还是向后差分法都会产生计算误差。本文根据拉格朗日中值定理及各节点温差和温度变化率的互不耦合假设，提出一种迭代算法，可以在适当增加差分步长的情况下，减少计算量并保证求解精度，或者在保持常规差分步长的情况下，增加少许计算量而提高求解精度，使数值计算结果逼近理论解。 3 碾压混凝土拱坝应力场仿真计算 首先通过对混凝土材料热学性能的分析，阐述了混凝土温度损伤的概念，应用温度损伤和温度对徐变的影响描述了大体积混凝土温度场和应力场的耦合，建立了考虑温度影响的混凝土弹性模量表达式和徐变应变计算的递推公式。应用粘弹性与损伤耦合和正交各向异性损伤理论，描述了混凝土在高应力水平下的非线性徐变特性和由于微裂缝扩展引起的刚度退化和应变软化，建立了考虑温度影响的大体积混凝土结构应力场分析的粘弹性有限元表达式。 考虑由于逐层碾压施工方式的影响，碾压混凝土坝在碾压层间出现结合面夹层，夹层的存在对其力学性能有较大的影响，夹层强度、刚度较低，形成结构破坏控制面。根据能量等效原理，把层状结构体转换为横向各向同性体，建立了一个连续等效模型，根据等效模型的计算结果进一步计算本体和夹层之间的应力、应变，使得计算工作量大大大连理工大学博士学位论文减少。本文的等效模型与单元尺寸、夹层的数量无关，便于根据实际情况对坝体进行灵活的有限元网格剖分，通用性强，而且该模型能够计算夹层开裂后的情况，可用于坝体非线性开裂分析。4碾压混凝土拱坝诱导缝损伤开裂分析 通过多组不同削弱度的深埋椭圆裂缝、深埋矩形裂缝、穿透裂缝三种形式的碾压混凝土试件轴拉试验结果，建立了深埋矩形裂缝碾压混凝土试件的应力强度因子的近似解析表达式，考虑尺寸效应，求得碾压混凝土材料的断裂韧度。混凝土宏观裂缝失稳扩展前，裂缝前缘存在较大范围的损伤区，使得线弹性断裂判据失效，本文采用虚拟裂缝模型和连续损伤力学方法，计算了断裂过程区的长度和损伤度。根据碾压混凝土拱坝诱导缝构造特点，分别将矩形诱导缝简化为修正穿透裂缝和修正深埋椭圆裂缝，假定为I型开裂，考虑相邻裂缝的影响，采用虚拟裂缝模型和线弹性断裂力学相结合的方法，建立了诱导缝失稳扩展时的亚临界扩展量和等效应力强度因子的解析表达式。应用双K断裂准则，计算了诱导缝起始扩展和失稳扩展时的等效强度、等效应变和等效损伤度，建立了碾压混凝土拱坝诱导缝的损伤开裂准则。5沙牌碾压混凝土拱坝仿真计算分析 根据沙牌工程的大坝几何尺寸、环境参数、材料参数、施工参数和蓄水参数，进行了沙牌碾压混凝土拱坝施工期和运行期的温度场和应力场计算。根据施工期仿真计算结果结合大坝施工期的部分观测资料，分析了坝体施工期温度场和应力场的分布特点和变化规律，以及大坝的损伤开裂情况和诱导缝的张开时间，为沙牌大坝后期施工提出了建议;根据运行期仿真计算结果对蓄水后坝体温度场、应力场变化规律和损伤开裂情况进行了分析。最后对本文的工作进行了总结，并指出需要进一步研