水利工程论文-沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算.doc

水利工程论文-沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算摘要：根据沙牌工程混凝土徐变试验资料，按混凝土固化徐变理论，分解了沙牌碾压混凝土徐变度函数，得到了沙牌混凝土粘弹性相变形、粘性相变形的数学表达式，提出了混凝土的非线性徐变应力计算方法；根据沙牌碾压混凝土拱坝的材料参数与环境参数，模拟了混凝土的施工过程，得到了沙牌碾压混凝土拱坝的三维温度场与三维应力场的仿真计算成果；比较了混凝土线性徐变应力理论与非线性徐变应力理论下拱冠剖面不同高程、不同部位大坝混凝土应力随时间的变化过程，得出了一些有意义的结论，可供大坝温控设计参考。关键词：大坝仿真分析温度应力混凝土徐变不可恢复徐变对不设横缝或横缝间距很大的碾压混凝土拱坝，无论是在施工期，还是在运行期，温度荷载所占的比例都相当高，且具有准周期荷载的特性。在计算混凝土温度徐变应力时，应该考虑混凝土不可恢复徐变对坝体应力状态的影响。但由于混凝土不可恢复徐变的试验有一定的难度，一般的工程也不做，因此，从混凝土的已有徐变实验资料中，分离出其中的不可恢复部分，就具有重要的工程意义。Bazant固化徐变理论公式1是从混凝土组成的微观机制出发，根据各组成材料的物理性质推导出来的。具有概念明确、参数较少、方程线性等优良性质。文献2通过对沙牌工程碾压混凝土徐变资料的拟合计算表明：该公式拟合效果良好，拟合参数唯一，各参数的重要性处于同一水平。不同龄期、不同持荷时间下，老化粘弹性相徐变Ca(t,)、非老化粘弹性相徐变Cna(t,)、粘性流动相徐变Cf(t,)(不可复徐变)在混凝土总徐变C(t,)中所占的比例，与工程试验资料基本吻合，可以用于建立混凝土非线性徐变理论模型。这种考虑了不可复徐变在不同应力水平下的非线性性质的理论公式，对研究大坝混凝土温度徐变应力具有一定的优势。因为，分缝很少的大体积混凝土在温升过程中的预压应力被混凝土后期温降拉应力逐渐消解直至反超的过程，呈现出一个典型的加载又卸载的徐变应力问题，需要相应的非线性徐变理论来计算。1沙牌碾压混凝土徐变试验资料及其分解按照Bazant固化徐变理论公式1，混凝土徐变度函数C(t,)可以分解为：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”碾压混凝土徐变度计算值与试验值单位：10-6MPa-1加荷龄期/dt-/d372890180试验371430678089994049556224293337131720249121518值609018036010510911512067697478424548532628313520222427计算值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)为混凝土的加载龄期，t-为混凝土的持荷时间；0、m、n为经验系数；q2、q3、q4为对具体工程试验数据进行拟合时的拟合系数。对于沙牌工程，其拟合结果为2：q2=133.23,q3=5.44,q4=7.98，变异系数opt0.065.沙牌碾压混凝土徐变度试验值与按式(1)得到的计算值列于表1中。为了和现行规范比较，表1的括号中还给出了按朱伯芳公式3得到的沙牌碾压混凝土徐变度计算值。由表1可见：二者的拟合效果都相当好。按照公式(2)、(3)、(4)分解式(1)得到的老化粘弹性项徐变Ca(t,)、非老化粘弹性项徐变Cna(t,)Q、混凝土的不可复徐变，即粘性流动项徐变Cf(t,)见表2.从表2中可以得出如下结论：表2沙牌碾压混凝土各种徐变百分率随龄期与持荷时间变化规律混凝土持荷时间t-/d加荷龄期/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)老化粘弹性项徐变Ca(t,)在混凝土总徐变中，始终占有相当高的比例。究其自身的时间特性而言，短龄期混凝土的老化粘弹性项徐变所占比例很大，且随持荷时间的延长而下降；长龄期的混凝土与短龄期混凝土的性质一样，仅程度有所不同。(2)非老化粘弹性项徐变Cna(t,)随混凝土龄期的增长明显增长，其最大比值达0.350，随着持荷时间的增长，混凝土中的粘性项徐变增加，使Cna(t,)在总徐变的比重下降。(3)混凝土的不可复徐变，即粘性流动项徐变Cf(t,)比较复杂。总的来说，只要持荷时间不长，混凝土的徐变绝大部分是可以恢复的；不论何种龄期的混凝土，其不可复徐变随持荷龄期单调增加。最不可恢复的徐变出现在28d龄期开始加荷、持续时间又很长的情况。对90d以内开始加载的混凝土，只要其持荷时间超过180d，其不可复徐变占总徐变的比例就是30%40%.这正是朱伯芳院士在1982年就预计过的结果4。2非线性徐变理论下拱坝温度应力三维有限元隐式解法文献1给出的非线性徐变理论的有限元列式及求解步骤是针对一维问题进行的。对碾压混凝土拱坝温度徐变应力的仿真计算，需要进行三维有限元计算。因此，有必要建立混凝土固化徐变理论的三维有限元递推求解列式。2.1非线性徐变理论的控制方程在Bazant固化徐变理论的应力应变控制方程中，任意时刻混凝土