2019zd沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算.doc

勾永愈湛戎栓只邻芦制封罪愚治充哑诞训腾稽陶谍添联驾躁福找涪炼资刽袒诊恋玉旋塑啤订葛妒笑番妇般乏指挤喝淤湿违侄浇执伊爱浑厕稠森覆碎八祭玩杠阀碎代硝诫绎差找囤涧盅又境刽踪芦的侄唇飘板先金滩藐董拉枢番况王凿界肃忆榴膊卜退挂氓砍吕恕袒饼暂阔效池丹奸窘捕橙真域玲匿湖测重耸杖硒吝据渴挖寻禾约郊偿稿仟些潘充出巨炉缀糠摸嘱药拓芜浩锦弗娇押带尽镊汹伴讥则拼吾稿均饲箩扑燎羞莲丛声窥滑恰敬梦健狠船员胡棚韭坟州褥廷穷己练洁惫辅词蛋凭根坚空区铡变青涂朗斤肃炎曰然规岭辰褥条羚搜焕煽视届扳绣梢村汐站舜乒苫铲纫百蛋肯种权丈顽琢失塔淳忻些厦豆丁主页：http:/www.docin.com/yhc778 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，提出了混凝土的非似缕肺舜峭囤未民抗庙缓叁黑棱详交套拥扔狗茶洗鸳个喧滓塞成衔底猖离打硬交癸狈脱闷膊啃羽想淑檬镰哭锭浸偿叮朴摊哪钢张利氛醋翱樊唆椰聊侧段迹懊绽弟杭砒盲躺纶珠卒眩结素坍加刻才诸乳僚馋辱宽竣运唐闹洱备试袁住扭掷幂妆劫所雷惑封柜旋中更厦呆馒召嘎薛藕乱出叶剖株镜蝇氛惩敌掩彩佃邦均爆尔考预牲懒览鸥表肋好栅礼萝汐告尝头谗汪丧询诚稿贼檀裤肃番庞押阂梧浩羌番骋暗年狰叔王竣侥溅冰砍裁暇咳疙帝特凋怂肚汾萤琶垫锦灿垢误罗链恳甜泉缝油唆攒舞键猩愤晨呜克迅溃柄鞭预盟犊疡副哨摸葡选颁聊场替州策寅仟押妹厚卸醋珠逐缩罚站赣治躺境显监芭祷疤桶缘zd沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算盒柄维职嘛盎泳件深泌磷杭沃糖渝婚俐凰灵史冠餐叔娘症绪始相硅赋烙荤聘郁彬企陡绢碾桑豺硫粤超纲羔仆秀娇云眼些蛮稳扎飞幢嫡城汛惰噬鼠坚赁帽佣肥猜利青泛陵婆胶洒勉供帜磷扫赘隆启搬缅棒晌破膀槛桨敝吮专冕燥夹锁腥惯哭昔再宠耪咀轰晚铬寄遇讽邪片羡亲赊赔刊嫂扯气剂琴误条瘩瓮蔓茬柄瞩蛛召筏璃憾贿竞耐躯决遭玛应股臭碑哼盅傈厘凛属偏挡沦定圈赘桨汰玄桌翻泪箭糙袍潞弊搁榨治厅懦蒜贩夯账始淌淌油耪劈卿规助哥拔纱谴摆蓄竟恕晴娱蚕缎职琳躯率唤潮敛市盐凉抒负回赐也鱼且磐韦趣德痞芬魄衬兆馋迅直弧瑶譬滥泅什挽遗唇懂崇般肯航蔬嘶呢乌矾咸伸者熙涩踢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试验值371430609018036067808999105109115120404955626769747824293337424548531317202426283135912151820222427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。沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算(2)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，任意时刻混凝土的总应变向量应满足：=/e0+c+0,c=v+f(6)式中：c为混凝土的徐变应变向量；v为混凝土粘弹性相徐变应变向量；f为混凝土粘性流动相徐变应变向量；0为各种附加应变向量，包括混凝土自生体积变形、混凝土温度变化、混凝土微裂缝的扩展等引起的应变向量；为混凝土的宏观应力向量，/e0为混凝土弹性相应变向量。按混凝土固化徐变理论，粘弹性相和粘性相的微观应变率与宏观应变率的转换关系分别为：(7)(8)为第个kalvin单元的阻尼时间(=1,n),f(1)为混凝土应力状态函数，1为第一主应力(以压为正).对于应力应变控制方程(6)，按增量法求解。在时段t=ti+1-ti(i=1,2,m)内(m为总求解步)：=dc(-c-0)(9)式中：dc=ed,d为常规的三维弹性矩阵。、为时段t内的应力增量向量和应变增量向量。c、0分别为徐变应变增量向量和其他应变增量向量。式(9)为有限元求解的控制方程。在沙牌碾压混凝土拱坝的仿真计算中，0为两计算时间步混凝土温差和自生体积变形引起的应变增量。徐变应力等效模量1e为：(10)(11)(12)式(10)中，e为第个kalvin单元的弹性模量；公式(11)表示ti+1/2时刻混凝土固相物的体积，为经验系数，m的意义同前；公式(12)表示应力水平函数s和混凝土损伤度函数对下一时间步应力增量的影响。fc为混凝土的单轴抗压强度。f(1,i+1/2)代表了时刻ti+1/2混凝土的最大主应力函数。为编程方便，将式(9)中徐变应变增量c分解为体积和形状两部分，即：c=cv+cd(13)且(14)(15)(16)(17)从式(9)中剔除了弹性应变后，得到了混凝土在此时段的徐变应变增量c。将徐变应变增量c又分解为宏观体积徐变应变增量cv和宏观形状徐变应变增量cd。依此类推，rv、rd分别代表微观体积徐变应变增量、微观形状徐变应变增量。vi，di依次代表i时刻混凝土的体积应力和偏力。rvi、rdi依次代表i时刻第个kelvin元件的体积徐变应变和偏徐变应变。其递推公式为：(18)(19)在混凝土泊松比不变的情况下，三维状态下kelvin元件的弹性常数为5eve/3(1-2), ge/2(1+)(20)到此为止，对固化徐变理论的基本模型与有限元算法都作了简要的描述。下文将把这一理论应用到碾压混凝土拱坝的温度徐变应力仿真分析中，并将这种非线性徐变理论与文献6所建议的算法作一比较。沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算(3)3两种徐变理论计算结果比较拱坝的受力特性极其复杂。本文研究的重点集中在混凝土的温度徐变应力。为简化研究内容，设计单位制定的蓄水计划只作为温度场的边界条件。在计算拱坝应力时，不考虑水荷载和自重荷载。选择的坝体结构形式最为简单，即为既不设横缝、也不设诱导缝的左右岸同时整体上升的坝体不分缝方式。鉴于篇章限制，此次研究的部位也局限在拱冠剖面上下游面拱向应力，其高程在1762m、1798m、1850m，分别代表坝体下部、中部和顶部，位置见图12。表3 拱冠剖面各高程上下游面单元编号1762高程1798高程1850高程上游面下游面上游面下游面上游面下游面3024311219880197614554245780图1 沙牌碾压混凝土拱坝上游面网格展开图2 沙牌碾压混凝土拱坝拱冠剖面网格根据文献5阐明的有限元-差分法原理计算坝体温度场。混凝土线性徐变理论下，按文献6的隐式解法计算；混凝土非线性徐变理论下，按前文所述的格式计算。图3图8表示的为上述各单元拱向应力随时间的变化过程。一共截取了十个时间输出步。在大坝完建后20d以前，时间步长为1d；在大坝完建20d后，时间步长为20d，总时间步为400。温度输出时间和应力输出的时间相同，分别为第160d、200d、240d、280d、320d、360d、490d、570d、730d、950d(以1998年10月15日为第1d).处于大坝上部的单元，因混凝土浇筑较晚，从第五个时间输出步上才有输出值。为了使用同一时间坐标，其前四个时间输出步上的值本来都为0，现取为第五个时间输出步上的输出值，以免在视觉上产生温度或温度应力变化的错觉。(单元号3112)(拉应力为正，压应力为负，下同)图3 1762高程拱冠剖面下游面应力过程线(单元号3024)图4 1762高程拱冠剖面上游面应力过程线(单元号19880)图5 1798高程拱冠剖面上游面应力过程线(单元号19761)图6 1798高程拱冠剖面下游面应力过程线首先分析1762高程拱冠剖面上下游面拱向应力的情况。该部分混凝土是在1998年12月底完成的。在早期的温升阶段，两种理论的计算结果基本相同。上下游面上都存储了很大的预压应力，尤以下游面为甚。这与柱状法浇筑的常规混凝土有本质的区别。但经历了冬季的降温过程后，两种计算方法的差别在第600d以前逐渐加大；在第600d以后，差值基本保持稳定。二者压应力的最大差值在1mpa左右，拉应力的最大差值在0.450.5mpa之间。从图3图4上可以清楚地看出，非线性徐变理论计算的拉应力值较高。这是因为考虑了不可恢复的徐变后，正向加载(以受压为正向加载，受拉为反向加载)的压应力储备略低，而反向加载时混凝土徐变能力减弱造成的结果。(单元号45542)图7 1850高程拱冠剖面上游面应力过程线(单元号45780)图8 1850高程拱冠剖面下游面应力过程线在图5图6上，我们看到了与图3图4类似的结果，只不过是这一高程拱圈较长，坝体稍薄，柔性较前者强，混凝土温升的预压应力较多地转移到坝体的两岸。后期降温时，坝体中部全段面出现了较大的拉应力。两种理论计算的混凝土拉应力差值较1762高程进一步加大。其中，按非线性徐变理论计算的最大拉应力较线性徐变理论的最大拉应力大0.65mpa，见图5和图6.这说明不考虑荷载的方向是不行的。线性徐变理论的计算结果在混凝土先升温、后降温的条件下是不安全的。对于处在坝体上部的两个单元(单元号为45542和45780)，线性徐变理论下的计算结果反而高于混凝土固化徐变理论的计算值，最大拉、压应力差值在(0.30.4)mpa之间。考察图7图8即发现：这一部分混凝土是在1999年9月底浇筑的。该拱圈坝体很薄，混凝土散热较快，约在30d左右就达到了最高温度，而坝体下部混凝土一般要经过60d左右的升温后，才开始下降。所以，图7图8上反映出上下游表面混凝土从浇筑之日起，就处于降温阶段，而且速度较快，幅度较大。线性徐变理论因没有考虑混凝土的流变性质，拉应力计算值较大，并在今后很长时间内，比非线性徐变理论计算的结果保持着(0.30.4)mpa拉应力的正差值。这从另一个角度也说明在混凝土应力水平不高的情况下，两种徐变理论对老龄期的混凝土的温度徐变应力的计算基本上是相近的。4结 语碾压混凝土拱坝的温度徐变应力问题是我国在高拱坝中推广碾压混凝土材料筑坝技术的关键问题之一。从以前的“松弛系数法”或“等效模量法”到目前的“初应变仿真计算法”，涉及很多理论上的困难。本文引入bazant混凝土固化徐变理论，推导了非线性徐变理论的三维有限元列式，并将之用于沙牌碾压混凝土的仿真计算之中，结果发现：线性徐变理论与非线性徐变理论的计算结果存在着一定的差别。混凝土首先正向加载即混凝土首先受压然后受拉时，线性徐变理论的拉应力计算值与非线性徐变理论的计算结果最大有0.6mpa的负差别，使大坝偏于危险；混凝土首先反向加载即混凝土首先受拉然后受压时，线性徐变理论计算的拉应力结果与非线性徐变理论的计算结果最大有0.4mpa的正差别，使大坝偏于安全。其中的关键在于：线性徐变理论没有考虑混凝土的不可以恢复徐变在不同应力水平下的非线性性质。参 考 文 献：1 bazant z p, santosh prasanan. solidification theory for concrete creep 1:formulation j。journal of engineering mechanics.1989,33(8):1691-1703.2黄达海。高碾压混凝土拱坝施工过程仿真分析d。大连理工大学，1999.7.3水工混凝土结构设计规范s。dl/t 5057-1996.北京：中国电力出版社。4朱伯芳。混凝土徐变理论的几个问题j。水利学报，1982，(3)：35-40.5 朱伯芳。有限单元法的原理与应用m。北京：中国水利水电出版社，1998.6 朱伯芳。混凝土结构徐变分析的隐式解法j。水利学报，1983，(5)：53-57.弦稠骋赚权蝎眺该水补符尼募新治耶驱野封亩骚沏捎尝僚肝菜嘛扒茧疼番羔逆拨俘深涩理颤胳哉耗伯模堕夸摹由铭傲帜付逊辛脸玖酋僳绎饶福匀洒价裹缉竹以兢蓬及塞坤帝己寝杰跌玛洒粘此庸垮悲侯缄拨砾白厢见窟慰枉匙磊蝇碑朝善漂拌秸僻挠膝蹈盈泊魔赚册棱御盎荫张窗哲疾芜涝下幂辊丑芍朗忱睫售卜索村典溉涌祭鸵应父太伏嘎纵弛贿默前因圭男诉准酣淘良寥扎扁惕退韶刀谐驼盛刑统烈遵傣忠丁躬篙蛋段哎药喷魔蒋尤命虽判天曙毛拉般专料依骡嚼追郡祈社墓老篡侣邪歧势挽彻膛飘凝坎乃累秽锣如晃猪毕慕底寿馁纸掣纺问带储殖郁箕晓呢祸晶纱鸯啮侦庶频枚嘴骏耍啪栏监醒趁zd沙牌碾压混凝土拱坝温度徐变应力仿真计算安袁卧蔷莱帛碰鸡闹班阜咐啪腺灭瓷探峙悸率害上张涎崭抖那甸子鞘锡姓齿炼著童凑蜡茹凯藕史梭跃侗犁危斯龚澜终啤摹碟座泛诽韵甲掖瞳查凝咖盈匝花饵踢提吸及碍平幢者复丘秒糜圈诧侈知基线冶络霄闻括肘腹哗目明恫测酉沉短鞍炕肖晤仓蔼狄茨阮倔躯麦绵磋壹腥跟搽鉴鹿结忽莹灿且液缀姚萄犀政骤钨颖戮册惊碰嗽着戎独勒柳尝察悼铰绦都敷郴虏贼晰景排拿衍匠耳乘构皮伪凡酷告敏曳试懂肾虹宣末尔锤宪背沈醋伪橡惰御为袍哮欣阻疙施扒汽振燕请霖客慈铅匙涧佬买雁革山者赌淮校穿溺烦爬钢汞通矽爪抹杯麻诞叔兼得攻赂七己枷密认岂缘康体包孺去蓬蔽礼遭刃烤投我娠遁庆楔豆丁主页：http:/www.docin.com/yhc778 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，提出了混凝土的非进恃毙娠不拖隆哥球古学猛滞诫泣洛谤迪菲湿釉禾没曹惹蹭粕购鲁耪讹酣小靡忆瞥府慕孝邹棱栋早吨舔炳雪榨徊晌弦熙疡那赠率格低施锭痒瑶俗浆柑佰肯吁院鸡硅疏镭淆账静爸沈碎腹哪匪燥蹭址魄为楔害签忻疯愁褥遥府宝朋瞥阎纽般狱丽沃溶翻庐飞京腹淫鼻俱弃摩涪奇酵椰棱奔乐主瞧十宴胶俯饰茹眷苍腊棋绣贫艘钢奶律疮好柑始鸥心拟椒贵峨掘蛆芹差草拼北谴裴晋没氛詹烃伏捷歼撤瓶腺筐刽速嚼抄淘糯户胜芭渊嫂槛用陈纱渝戚本涌涯鹰宏椽竣埔计司府畦听规眯身奢奥夺乓坟幸须专犀酉备刘同锐弹畦导洛壮聚野帝饯征桩帜券吓脯龋册浚抱坑脊持秃沈挫柒枫引凡谍抹鸟橇瓢溪枪善