水利工程論文-沙牌碾壓混凝土拱壩溫度徐變應(yīng)力仿真計(jì)算.doc

水利工程論文-沙牌碾壓混凝土拱壩溫度徐變應(yīng)力仿真計(jì)算摘要：根據(jù)沙牌工程混凝土徐變試驗(yàn)資料，按混凝土固化徐變理論，分解了沙牌碾壓混凝土徐變度函數(shù)，得到了沙牌混凝土粘彈性相變形、粘性相變形的數(shù)學(xué)表達(dá)式，提出了混凝土的非線性徐變應(yīng)力計(jì)算方法；根據(jù)沙牌碾壓混凝土拱壩的材料參數(shù)與環(huán)境參數(shù)，模擬了混凝土的施工過程，得到了沙牌碾壓混凝土拱壩的三維溫度場與三維應(yīng)力場的仿真計(jì)算成果；比較了混凝土線性徐變應(yīng)力理論與非線性徐變應(yīng)力理論下拱冠剖面不同高程、不同部位大壩混凝土應(yīng)力隨時(shí)間的變化過程，得出了一些有意義的結(jié)論，可供大壩溫控設(shè)計(jì)參考。關(guān)鍵詞：大壩仿真分析溫度應(yīng)力混凝土徐變不可恢復(fù)徐變對不設(shè)橫縫或橫縫間距很大的碾壓混凝土拱壩，無論是在施工期，還是在運(yùn)行期，溫度荷載所占的比例都相當(dāng)高，且具有準(zhǔn)周期荷載的特性。在計(jì)算混凝土溫度徐變應(yīng)力時(shí)，應(yīng)該考慮混凝土不可恢復(fù)徐變對壩體應(yīng)力狀態(tài)的影響。但由于混凝土不可恢復(fù)徐變的試驗(yàn)有一定的難度，一般的工程也不做，因此，從混凝土的已有徐變實(shí)驗(yàn)資料中，分離出其中的不可恢復(fù)部分，就具有重要的工程意義。Bazant固化徐變理論公式1是從混凝土組成的微觀機(jī)制出發(fā)，根據(jù)各組成材料的物理性質(zhì)推導(dǎo)出來的。具有概念明確、參數(shù)較少、方程線性等優(yōu)良性質(zhì)。文獻(xiàn)2通過對沙牌工程碾壓混凝土徐變資料的擬合計(jì)算表明：該公式擬合效果良好，擬合參數(shù)唯一，各參數(shù)的重要性處于同一水平。不同齡期、不同持荷時(shí)間下，老化粘彈性相徐變Ca(t,)、非老化粘彈性相徐變Cna(t,)、粘性流動(dòng)相徐變Cf(t,)(不可復(fù)徐變)在混凝土總徐變C(t,)中所占的比例，與工程試驗(yàn)資料基本吻合，可以用于建立混凝土非線性徐變理論模型。這種考慮了不可復(fù)徐變在不同應(yīng)力水平下的非線性性質(zhì)的理論公式，對研究大壩混凝土溫度徐變應(yīng)力具有一定的優(yōu)勢。因?yàn)椋挚p很少的大體積混凝土在溫升過程中的預(yù)壓應(yīng)力被混凝土后期溫降拉應(yīng)力逐漸消解直至反超的過程，呈現(xiàn)出一個(gè)典型的加載又卸載的徐變應(yīng)力問題，需要相應(yīng)的非線性徐變理論來計(jì)算。1沙牌碾壓混凝土徐變試驗(yàn)資料及其分解按照Bazant固化徐變理論公式1，混凝土徐變度函數(shù)C(t,)可以分解為：C(t,)=Ca(t,)+Cna(t,)+Cf(t,)(1)其中：Ca(t,)=q2(t,)(2)Cna(t,)=q3ln1+（t-/0）(3)Cf(t,)=q4ln（t/）(4)表1“沙牌工程”碾壓混凝土徐變度計(jì)算值與試驗(yàn)值單位：10-6MPa-1加荷齡期/dt-/d372890180試驗(yàn)371430678089994049556224293337131720249121518值609018036010510911512067697478424548532628313520222427計(jì)算值371430609018036066(71)81(79)86(85)90(92)97(99)105(103)118(111)123(117)43(47)53(53)56(58)58(64)64(71)67(74)76(81)85(88)23(25)30(28)31(31)33(35)36(39)38(42)44(48)50(54)16(16)20(18)21(19)23(21)26(24)28(26)33(30)38(35)13(13)16(14)18(15)19(16)22(18)24(20)29(22)34(26)(5)為混凝土的加載齡期，t-為混凝土的持荷時(shí)間；0、m、n為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；q2、q3、q4為對具體工程試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合時(shí)的擬合系數(shù)。對于沙牌工程，其擬合結(jié)果為2：q2=133.23,q3=5.44,q4=7.98，變異系數(shù)opt0.065.沙牌碾壓混凝土徐變度試驗(yàn)值與按式(1)得到的計(jì)算值列于表1中。為了和現(xiàn)行規(guī)范比較，表1的括號中還給出了按朱伯芳公式3得到的沙牌碾壓混凝土徐變度計(jì)算值。由表1可見：二者的擬合效果都相當(dāng)好。按照公式(2)、(3)、(4)分解式(1)得到的老化粘彈性項(xiàng)徐變Ca(t,)、非老化粘彈性項(xiàng)徐變Cna(t,)Q、混凝土的不可復(fù)徐變，即粘性流動(dòng)項(xiàng)徐變Cf(t,)見表2.從表2中可以得出如下結(jié)論：表2沙牌碾壓混凝土各種徐變百分率隨齡期與持荷時(shí)間變化規(guī)律混凝土持荷時(shí)間t-/d加荷齡期/d37289018Ca(t,)C(t,)3714306090180360.853.807.765.719.679.657.623.591.843.798.751.696.647.62.5780.539.793.764.726.670.610.575.518.468.708.693.671.632.582.547.485.425.638.630.616.590.552.524.467.406Cna(t,)C(t,)3714306090180360.062.060.058.056.055.054.053.052.093.089.085.080.077.075.072.069.172.167.160.149.138.131.121.112.275.270.262.248.230.218.196.175.350.346.339.326.307.292.263.232Cf(t,)C(t,)3714306090180360.084.133.177.225.266.289.324.357.065.114.164.224.276.305.351.391.034.069.114.181.252.294.361.420.018.037.067.119.188.235.320.400.011.024.045.084.141.184.271.362(5)(1)老化粘彈性項(xiàng)徐變Ca(t,)在混凝土總徐變中，始終占有相當(dāng)高的比例。究其自身的時(shí)間特性而言，短齡期混凝土的老化粘彈性項(xiàng)徐變所占比例很大，且隨持荷時(shí)間的延長而下降；長齡期的混凝土與短齡期混凝土的性質(zhì)一樣，僅程度有所不同。(2)非老化粘彈性項(xiàng)徐變Cna(t,)隨混凝土齡期的增長明顯增長，其最大比值達(dá)0.350，隨著持荷時(shí)間的增長，混凝土中的粘性項(xiàng)徐變增加，使Cna(t,)在總徐變的比重下降。(3)混凝土的不可復(fù)徐變，即粘性流動(dòng)項(xiàng)徐變Cf(t,)比較復(fù)雜?？偟膩碚f，只要持荷時(shí)間不長，混凝土的徐變絕大部分是可以恢復(fù)的；不論何種齡期的混凝土，其不可復(fù)徐變隨持荷齡期單調(diào)增加。最不可恢復(fù)的徐變出現(xiàn)在28d齡期開始加荷、持續(xù)時(shí)間又很長的情況。對90d以內(nèi)開始加載的混凝土，只要其持荷時(shí)間超過180d，其不可復(fù)徐變占總徐變的比例就是30%40%.這正是朱伯芳院士在1982年就預(yù)計(jì)過的結(jié)果4。2非線性徐變理論下拱壩溫度應(yīng)力三維有限元隱式解法文獻(xiàn)1給出的非線性徐變理論的有限元列式及求解步驟是針對一維問題進(jìn)行的。對碾壓混凝土拱壩溫度徐變應(yīng)力的仿真計(jì)算，需要進(jìn)行三維有限元計(jì)算。因此，有必要建立混凝土固化徐變理論的三維有限元遞推求解列式。2.1非線性徐變理論的控制方程在Bazant固化徐變理論的應(yīng)力應(yīng)變控制方程中，任意時(shí)刻混凝土