近年来随着水利水电工程的大力开发,高耸进水塔结构的建设和研究也得到了迅速的发展,但是在已建的高耸进水塔结构中经过强烈地震检验的特别少,而且针对高耸进水塔在强烈地震作用下的相关实测数据和试验数据均特别少,尤其是高耸进水塔地震损伤这方面的研究未见报道,因此,开展强震作用下高耸进水塔损伤破坏机理分析研究具有重要的意义。本文分别从混凝土的动力损伤模型、地基岩体的材料非线性、地基辐射阻尼、模型网格尺寸、进水塔配筋等方面进行了比较系统的研究,使得进水塔-地基体系地震损伤特性的描述更加接近实际震灾,对进水塔工程的指导有一定的参考意义和科学价值。其主要研究成果和结论如下:(1)本文以连续介质力学理论和热力学定律为基础,建立了考虑不可恢复残余变量的混凝土塑性损伤模型,提出了选取损伤变量的原则,推导了塑性自由能的具体表达式,并以Weibull分布假设为基础,考虑材料的压拉损伤特性,确定了隐含损伤准则的材料能量释放率与压损伤(拉损伤)之间的关系,提出了材料的损伤本构函数、损伤演化函数和塑性变形表达式。通过混凝土加载试验,初步验证了本文建立损伤模型的有效性和适用性,即本文建立损伤模型可以比较好的表达混凝土的地震损伤特性,从而避免了弹塑性损伤求解过程中的不确定因素影响和计算过程中的复杂性。(2)本文在有限元ABAQUS的二次开发功能的基础上,利用FORTRAN语言研编了混凝土的动力损伤本构的有限元程序,研究了经典案例Koyna重力坝的地震损伤特性,并与文献[109]的研究成果和实际震灾对比,结果表明,本文建立的损伤模型可以较好地表达Koyna重力坝的地震损伤演化特性,有效地模拟了Koyna重力坝的地震损伤累计,记录了重力坝损伤累计历程,从而说明本文建立的损伤本构模型在水利工程混凝土中具有一定的可行性和适用性。(3)本文分析了进水塔材料非线性对地震损伤的影响,结果表明,由于考虑了进水塔的非线性,当进水塔混凝土拉应力峰值大于标准抗拉应力时,混凝土产生损伤,损伤后的混凝土不在承受拉应力,但是仍可以承受压应力,即进水塔混凝土拉应力达到一定值后,会迅速降低为0,这就表明考虑进水塔的非线性时更符合实际情况,可以真实反映进水塔损伤以后的应力重分布情况。(4)本文分析了模型网格尺寸大小对进水塔塔体地震损伤的影响,结果表明,在应力集中区域,大网格模型的最大主应力值大于小网格模型相应位置的最大主应力值。进水塔模型网格尺寸比较大时,模型单元的损伤扩展过程会比较慢,并且损伤区域的相对应变会较小,与单元的尺寸效应理论相符合,即进水塔模型网格尺寸较大时,会使进水塔模型损伤计算的准确度降低,所以进水塔模型网格尺寸较小时,才会更真实、更准确的描述进水塔地震损伤的扩展过程。(5)与未考虑进水塔配筋时相比较,考虑进水塔配筋时,进水塔塔顶的相对位移减小,塔背的应变也减小,并且进水塔的损伤程度和区域都有所减小,从而说明考虑进水塔配筋使得进水塔的稳定性大大增加。(6)本文对进水塔-地基体系进行了地震损伤分析。塔体-地基岩体体系均考虑材料非线性时,塔体的损伤区域有所减小,其主要原因是塔体与地基交界处的应力集中释放,使得在塔体与地基交界处的大范围地震损伤不再存在,从而更加接近实际震情。最后对进水塔-地基岩体体系进行了稳定分析,进水塔在整个地震过程中没有滑移和倾覆的趋势,抗滑安全系数极小值和抗倾覆安全系数极小值均有所增大,这表明对进水塔进行地震损伤分析时,考虑地基的材料非线性会使得进水塔更加偏安全。(7)本文分析了不同边界条件对进水塔地震损伤的影响,随着塔背地基的逐渐升高,塔体产生的损伤耗散能逐渐减少,塔体产生的损伤越少,塔体结构越稳定,而且塔背地基越高,塔体的产生损伤的时间越晚,进水塔的峰值加速度也越小,因此进水塔塔背地基的高度越低对进水塔的稳定性越不利。由此可知,塔背地基对塔体地震损伤的影响显著,在进水塔工程设计和施工时应当慎重考虑。