混凝土損傷理論在水工結(jié)構(gòu)仿真分析中的運(yùn)用

高劍飛

摘 要：混凝土作為建筑行業(yè)中常用的一類(lèi)建材，其與水工建筑物之間形成緊密關(guān)系，當(dāng)下不同規(guī)?；炷链髩位蚱渌?lèi)混凝土水工建筑物工程建設(shè)數(shù)目逐年增加，這也是水工結(jié)構(gòu)學(xué)中混凝土研究?jī)?nèi)容繁多的主要原因之一。壩工項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)有大好的發(fā)展空間。但是近期與大壩工作狀態(tài)相關(guān)的調(diào)查報(bào)告顯示，當(dāng)下國(guó)內(nèi)遭受滅頂性破壞的混凝土壩超出200余座。加強(qiáng)混凝土損傷理論的研究分析，并實(shí)現(xiàn)對(duì)水工結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)而為混凝土大壩實(shí)體工程施工與改建等提供理論支撐。

關(guān)鍵詞：水工結(jié)構(gòu);混凝土;損傷理論;混凝土大白;仿真分析

中圖分類(lèi)號(hào)：U655.56? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006—7973（2019）07-0055-02

混凝土是現(xiàn)代建筑工程施工期間一種廣泛應(yīng)用的材料，其破壞機(jī)理與破壞形態(tài)始終是材料科學(xué)、力學(xué)與工程技術(shù)領(lǐng)域中關(guān)注的焦點(diǎn)。國(guó)內(nèi)外有大量實(shí)驗(yàn)研究指出[1]，混凝土結(jié)構(gòu)裂紋在不斷發(fā)展進(jìn)程中，將會(huì)造成構(gòu)件或結(jié)構(gòu)出現(xiàn)斷裂破壞等問(wèn)題。在宏觀裂縫形成之前，微缺陷在形成與發(fā)展期間，會(huì)在周邊形成一個(gè)“損傷區(qū)”，其將會(huì)對(duì)混凝土壽命造成直接影響，該種現(xiàn)象難以采用以往常用斷裂力學(xué)分析，此時(shí)損傷機(jī)理應(yīng)時(shí)而生，本文主要分析其在水工結(jié)構(gòu)仿真中的應(yīng)用情況。

1混凝土損傷理論

從微觀的層面上分析，混凝土屬于一類(lèi)多相復(fù)合材料，主要構(gòu)成有粗骨料、細(xì)骨料以及水泥漿體等、以上物質(zhì)的分布與結(jié)合狀態(tài)均體現(xiàn)出明顯的無(wú)規(guī)律性。針對(duì)混凝土的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者普遍認(rèn)為是在混凝土澆筑、成形期間，毛細(xì)孔、空隙以及邊界裂隙等缺陷難以整體規(guī)避造成的[1]。在對(duì)損傷力學(xué)概念進(jìn)行分析后，發(fā)現(xiàn)混凝土結(jié)構(gòu)這種原生態(tài)缺陷實(shí)質(zhì)上就是損傷的外在表現(xiàn)形式，一般會(huì)被稱之為初始損傷。原生態(tài)的質(zhì)量缺陷或界面裂隙，隨著時(shí)間的推移，會(huì)發(fā)展成微裂紋、微裂紋區(qū)與宏觀裂縫，其可以被視為損傷疊加的結(jié)果。

總結(jié)以上分析內(nèi)容后，發(fā)現(xiàn)混凝土在承受外力載荷或其他因素的作用，直至發(fā)展至結(jié)構(gòu)破損的過(guò)程，等同于以初始損傷為基礎(chǔ)，發(fā)展、累積與斷裂交替出現(xiàn)的過(guò)程。故而，本次研究中采用損傷其闡述混凝土的破壞機(jī)理，利用能量損傷理論觀點(diǎn)去解讀結(jié)構(gòu)損傷形成與發(fā)展期間囊括的規(guī)律，詮釋混凝土破壞機(jī)理的實(shí)質(zhì)。與此同時(shí)，本文把混凝土破損期間微裂紋區(qū)形成、應(yīng)變軟化效應(yīng)、裂縫形成與拓展等現(xiàn)象，均設(shè)為損傷場(chǎng)內(nèi)常見(jiàn)的力學(xué)行為，進(jìn)而建設(shè)混凝土的應(yīng)力應(yīng)變?nèi)€、各類(lèi)混凝土斷裂模型，均以損傷的角度去分析與研究。

2混凝土損傷定量分析

在由多種單一受力和復(fù)合受力構(gòu)件組成的全曲線內(nèi)，囊括了由開(kāi)始受力直至破壞全生命周期的損傷信息。當(dāng)下國(guó)內(nèi)外在建設(shè)混凝土損傷模型的損傷演變方程均為形式。故而，可以由曲線內(nèi)計(jì)算損傷度D，這提示全曲線是獲得混凝土損傷定量分析結(jié)果的理論基礎(chǔ)。

在對(duì)各單一受力與復(fù)合受力試件試驗(yàn)研究過(guò)程中，能直接測(cè)得并記錄P—△全曲線，但其不是全曲線。為獲得復(fù)合受力狀態(tài)的P—△全曲線，同時(shí)建設(shè)其和帶有拉力、壓力、剪力、扭力等基本受力的P—△全曲線之間建設(shè)可比性關(guān)系，則對(duì)試件與加載形式提出“統(tǒng)一性”的要求[2]。

3工程概況

大壩工程是混凝土雙曲拱壩，大壩高程為117m，壩頂高程為777m，壩頂長(zhǎng)度為335. 44m，共被劃分為18個(gè)壩段。中部8-11壩段的壩頂位置創(chuàng)設(shè)了三個(gè)泄洪孔，9、10兩壩段近底端分別開(kāi)通一底孔。壩區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造相對(duì)較簡(jiǎn)單，巖石結(jié)構(gòu)相對(duì)完整，斷裂構(gòu)造停止發(fā)育，未產(chǎn)生深大斷裂通行，也無(wú)對(duì)組合構(gòu)造形成不良影響的區(qū)段。大壩壩體澆筑期間采用了C20、C25常態(tài)混凝土，壩體上未設(shè)置中縫，采用通倉(cāng)澆筑的模式。澆筑過(guò)程中應(yīng)用水管冷卻，以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土溫度的有效調(diào)控[3]。

4混凝土損傷理論在水工結(jié)構(gòu)仿真分析

很多混凝土結(jié)構(gòu)在建設(shè)期間體現(xiàn)出工程量大的特征，故而通常會(huì)經(jīng)歷一個(gè)較漫長(zhǎng)的施工過(guò)程，工程竣工后投運(yùn)也是一個(gè)長(zhǎng)期化進(jìn)程。若混凝土大壩建設(shè)期間采用大體積混凝土結(jié)構(gòu)，工程建設(shè)工期通常達(dá)到數(shù)年之久，經(jīng)過(guò)蓄水期后會(huì)步入到更漫長(zhǎng)的投運(yùn)期。從損傷的視域出發(fā)進(jìn)行分析，混凝土大壩在初期澆筑過(guò)程中，就有損傷發(fā)生。在漫長(zhǎng)的施工期、蓄水期與投運(yùn)期，大壩壩體損傷在橫向、縱向上均有拓展與累積，在多因素的作用下，其損傷場(chǎng)處于實(shí)時(shí)變化狀態(tài)中。

針對(duì)混凝土大壩的仿真分析，已經(jīng)有較長(zhǎng)的發(fā)展歷程，仿真分析多集中在溫度與溫度應(yīng)力范疇中，當(dāng)下已形成了相對(duì)完善、成熟的方法體系，但在以上指標(biāo)分析過(guò)程中，均將混凝土結(jié)構(gòu)視為處于無(wú)損狀態(tài)，這和現(xiàn)狀不符。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土大壩損傷情況進(jìn)行全面仿真計(jì)算，一定要將壩體混凝土澆筑作業(yè)視為起始點(diǎn)，同時(shí)依照工程施工三個(gè)階段進(jìn)行，分別是施工期、蓄水期與投運(yùn)期。

4.1施工期

在具體施工期間，伴隨工程建設(shè)工期的推進(jìn)，壩體高程有持續(xù)上升的趨勢(shì)。在這一時(shí)期中，壩體承受的荷載以壩體自重為主，且載荷量持續(xù)上升，在環(huán)境溫度、壩體混凝土水化熱等多種因素的作用下，壩體混凝土溫度會(huì)產(chǎn)生較大變化。伴隨著時(shí)間的推移，混凝土水化熱會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)改變，而壩體混凝土澆筑作業(yè)持續(xù)性進(jìn)行，此時(shí)壩體中形成的溫度場(chǎng)屬于不穩(wěn)定型溫度場(chǎng)。與此同時(shí)，還會(huì)在壩體邊緣上還會(huì)形成與溫度變化相關(guān)的溫度邊界條件。對(duì)該種不穩(wěn)定型溫度場(chǎng)進(jìn)行分析，實(shí)質(zhì)上就是溫度仿真分析問(wèn)題，可在有限元模型的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)精確化計(jì)算[4]。若壩體混凝土內(nèi)形成的損傷對(duì)其熱學(xué)性能不產(chǎn)生影響，則可對(duì)損傷因素忽略不計(jì)。

在計(jì)算出不同時(shí)間點(diǎn)對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)后，可依據(jù)變溫指標(biāo)測(cè)算出溫度應(yīng)變，以實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度應(yīng)力的有效測(cè)算。因?yàn)榛炷翂误w中溫度應(yīng)力是伴隨溫度變化緩緩發(fā)展的，在以上過(guò)程中混凝土的徐變度與自體體積變形，對(duì)應(yīng)力重分布過(guò)程會(huì)形成明顯的促進(jìn)作用，外加壩體自重的作用、因此，在計(jì)算大壩施工期壩體應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算過(guò)程中，應(yīng)綜合分析荷載量、溫度變化、徐變以自體體型改變等多種因素形成的影響。且需明確混凝土彈模、徐變度、形體改變、絕熱溫升等指標(biāo)均是伴隨時(shí)間推移二變化的，可以被視為時(shí)間函數(shù)。在壩體各個(gè)部位，應(yīng)依照齡期取值。計(jì)算損傷仿真，若在應(yīng)力長(zhǎng)進(jìn)行計(jì)算，就一定要全面考慮損傷的因素。

4.2蓄水期

蓄水期屬于大壩施工期間的一個(gè)特殊階段，也是易發(fā)生故障的時(shí)間段。蓄水一般會(huì)在大壩工程竣工后或完工前就開(kāi)始了。在一個(gè)相對(duì)較短的時(shí)間內(nèi)蓄到預(yù)定水位的過(guò)程被統(tǒng)稱為蓄水期。在蓄水期上游面蓄水溫度臨界條件由氣溫轉(zhuǎn)變?yōu)樗疁?、或局部水溫、局部氣溫。且因?yàn)樵摃r(shí)期緊隨施工期，或和施工期存在交叉點(diǎn)，故而其溫度依然屬于不穩(wěn)定型溫度場(chǎng)[5]。應(yīng)力場(chǎng)特征為上游面形成了緩慢上升的水壓力荷載，同時(shí)在多種氣候因素的作用下，氣溫高于上游面水溫低于氣溫，造成蓄水期間似乎在“冷擊”作用下而誘導(dǎo)出的溫度應(yīng)力，而與該階段相對(duì)應(yīng)的壩體結(jié)構(gòu)損傷程度也不會(huì)嚴(yán)重化。

4.3投運(yùn)期

在以往對(duì)壩體溫度仿真計(jì)算過(guò)程中，可以將投運(yùn)期的壩體對(duì)應(yīng)的溫度場(chǎng)視為穩(wěn)定溫度場(chǎng)或準(zhǔn)穩(wěn)定溫度場(chǎng)，應(yīng)力場(chǎng)也采用如上的計(jì)算方法。因此獲得的結(jié)論通常是壩體的最高溫度明顯低于施工期、蓄水期，對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力也通常較小[6]。但若綜合分析損傷因素，且壩體混凝土在施工期、蓄水期已出現(xiàn)損傷且損傷程度不斷累積，且多數(shù)損傷是不可逆的，此時(shí)若僅采用大壩工程投運(yùn)期對(duì)應(yīng)的應(yīng)力場(chǎng)計(jì)算損傷，存在明顯的錯(cuò)誤。因此在對(duì)混凝土大壩工程損傷程度仿真計(jì)算過(guò)程中，不能把工程項(xiàng)目投運(yùn)期設(shè)為一個(gè)獨(dú)立的問(wèn)題去分析，建議從蓄水期延續(xù)進(jìn)行計(jì)算，以保證混凝土結(jié)構(gòu)損傷發(fā)展過(guò)程的連貫性，但從本質(zhì)上分析其依然屬于一個(gè)與不穩(wěn)定型溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)相關(guān)的計(jì)算問(wèn)題，且其對(duì)應(yīng)的時(shí)間步長(zhǎng)有連續(xù)延展的趨勢(shì)。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜觀全文，可見(jiàn)混凝土大壩損傷全仿真計(jì)算屬于一個(gè)連續(xù)進(jìn)行的計(jì)算過(guò)程，設(shè)計(jì)不穩(wěn)定型溫度場(chǎng)，并需全面分析荷載、溫變、徐變、自身形體變化等多個(gè)因素，在引力場(chǎng)計(jì)算期間一定要全面分析損傷程度及誘發(fā)損傷的各類(lèi)因素，以保證仿真計(jì)算分析結(jié)果的精確性、有效性，為水工建筑體實(shí)體建設(shè)提供可靠的數(shù)據(jù)支持與理論指導(dǎo)。

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