堰坝混凝土耐石块撞击之动力模拟分析摘要(pdf 30页)

摘 要
於颱洪時，位於河川中上游段之堰壩混凝土構造物往往會遭受水流所挾
帶的石塊之劇烈撞擊而損壞，但因當時之惡劣河川環境的限制，無法在現地
觀測、藉儀器量測或攝影高速石塊撞擊堰壩構造物混凝土之行為。以往國內
外對本課題雖有相關的試驗研究；惟在試驗室內，藉由縮小的模型模擬石塊
撞擊混凝土之機制未臻理想，故有進行相關之數值模擬計算以資彌補的需
要。本文即應用MSC.Dytran 軟體之自適性接觸的模擬計算功能，分別採用
拉格朗日法的殼元素與體元素模擬堰壩混凝土構件，俾探討混凝土被石塊撞
擊時之暫態動力反應及可能引致之混凝土材料破壞情形。同時，本文也評析
及建議今後相關的研發方向。
基於美國材料試驗協會ASTM 所規範之混凝土耐磨耗試驗係採用鋼珠作
為撞擊源，本文之模擬計算乃採用MATRIG 剛性材料之球體，來撞擊混凝土
板或塊體。模擬石塊之球體若質量為10 kg 及直徑為0.2 m，則質量密度為
2,390 kg/m3。板與塊體分別由系列的殼元素與體元素所構成。球體由216
片之CQUAD4 殼元素構成，為四節點之四邊形元素，且採用有限元素。至於
模擬石塊之球體初速度，因颱洪時之河水所挾石塊的衝擊速度甚高，故本文
所探討之球體初速度包括20 m/sec、40 m/sec、60 m/sec 與80 m/sec
等。惟為探討初速度之效應，也針對更高之初速度，加以模擬研究。所模擬
計算之堰壩混凝土板係採用CQUAD4 殼元素、矩形格網與DMATEP 彈塑性材
料。至於混凝土材料之降伏，則使用馮米塞斯的YLDVM 模型。混凝土材料降
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伏抗壓強度一般介於20 MPa 至120 MPa 之間，本文之分析則採用20 MPa
與30 MPa 等兩種，但以20 MPa 為主。混凝土塊體是八節點及六面體之CHEXA
體元素與矩形的有限元素格網；由於DMATEP 彈塑性材料不能應用在體元
素，故將混凝土塊體的材料視為彈塑性之ElasPlas(DMAT)通用材料。
根據模擬計算結果顯示，當石塊撞擊混凝土板時，若板之破洞尺寸較石
塊為小，則石塊會反彈；相反的，若板的破洞尺寸較大，則石塊會貫穿混凝
土板。因此，有限元素之網格尺寸或多或少會影響計算結果。對石塊撞擊混
凝土塊體之情況，嚴重者大多僅塊體的表層混凝土破壞。此外，容許的最大
塑性應變MPS 會顯著地影響混凝土板或塊體是否破壞，故值得將來進一步研
究各類混凝土構造物之MPS 限值，並研訂相關之技術規範。此外，本文之分
析也可延伸至高速武器撞擊構造物之場合。
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