水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)研究

鐘琦皓,王啟凡,蔣曉艷,劉菲菲

(1.江蘇省水利工程科技咨詢股份有限公司,南京 210000;2.華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 常州分公司,江蘇 常州213000;3.淮安市水利勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司,江蘇 淮安 223001)

0 引 言

水利樞紐泵閘大體積混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)開(kāi)裂,不僅影響整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性,而且對(duì)于表層施工安全性也有不利影響。同時(shí),受到混凝土張力的影響,表層裂縫如果得不到及時(shí)修補(bǔ),其開(kāi)裂程度會(huì)不斷加深,最終危害到內(nèi)部結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。因此,為了確保水利樞紐泵閘的正常運(yùn)轉(zhuǎn),需要對(duì)混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè),針對(duì)不同程度的裂縫進(jìn)行相應(yīng)的修補(bǔ)處理。

文獻(xiàn)[1]以摻加鋼纖維的混凝土構(gòu)件作為試驗(yàn)對(duì)象,對(duì)影響開(kāi)裂的主要因素進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[2]結(jié)合多場(chǎng)耦合作用原理,對(duì)核電站混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了試驗(yàn)研究。文獻(xiàn)[3]采用控制變量法,探究了不同重復(fù)加載頻率下混凝土的開(kāi)裂性能影響因素。文獻(xiàn)[4]通過(guò)對(duì)早期混凝土開(kāi)裂情況進(jìn)行熱力模擬,對(duì)混凝土的耐久力進(jìn)行了合理預(yù)測(cè)。上述方法均可以在一定程度上,實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土開(kāi)裂情況的分析。但由于導(dǎo)致混凝土出現(xiàn)開(kāi)裂的因素是多方面的,且不同因素對(duì)于開(kāi)裂情況的影響程度也有所不同。因此,需要對(duì)開(kāi)裂影響因素進(jìn)行針對(duì)性分析,探究出不同因素的開(kāi)裂敏感性。

本文以水利樞紐泵閘大體積混凝土為研究對(duì)象,通過(guò)對(duì)開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行分析,得到不同開(kāi)裂因素的相對(duì)敏感性。在此基礎(chǔ)上,提出一種新型的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法,旨在提高預(yù)測(cè)精度,對(duì)混凝土開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)行有效預(yù)測(cè)。

1 水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)研究

1.1 水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂因素敏感性分析

在水利樞紐泵閘大體積混凝土應(yīng)力平面上,混凝土的強(qiáng)度會(huì)因截面高度的影響呈現(xiàn)不均勻分布的情況,這種強(qiáng)度的差異性會(huì)導(dǎo)致抗拉強(qiáng)度最低處容易出現(xiàn)開(kāi)裂?；炷灵_(kāi)裂不僅影響表層的美觀程度,同時(shí)還會(huì)對(duì)構(gòu)件內(nèi)部的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性造成影響,從而影響水利樞紐泵閘的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

影響混凝土開(kāi)裂的因素有很多,如材料性質(zhì)、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性以及施工環(huán)境等,不同的因素對(duì)于混凝土開(kāi)裂的影響程度也有所不同[5]。因此,為了對(duì)水利樞紐泵閘大體積混凝土的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行合理預(yù)測(cè),本文在開(kāi)裂機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,選定開(kāi)裂影響參數(shù),并對(duì)開(kāi)裂因素的敏感性進(jìn)行分析。

首先,混凝土的實(shí)際抗拉強(qiáng)度與開(kāi)裂前的應(yīng)力有直接關(guān)系。當(dāng)混凝土的抗拉強(qiáng)度曲線與應(yīng)力曲線呈相切關(guān)系時(shí),在曲線切點(diǎn)處最容易發(fā)生開(kāi)裂。裂縫間距越大,混凝土的拉應(yīng)力也會(huì)隨之增大。同理,當(dāng)混凝土的實(shí)際抗拉強(qiáng)度與開(kāi)裂應(yīng)力曲線呈二次相切時(shí),又會(huì)產(chǎn)生出新的裂縫[6]。同時(shí),受到材料密度的影響,混凝土在開(kāi)裂過(guò)后會(huì)出現(xiàn)回縮的情況,導(dǎo)致裂縫的寬度也隨之增大。因此,混凝土路面在出現(xiàn)第一條裂縫后,如果不及時(shí)進(jìn)行修補(bǔ),往往會(huì)出現(xiàn)更多開(kāi)裂強(qiáng)度更大的裂縫。圖1為混凝土開(kāi)裂機(jī)理圖。

圖1 水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂機(jī)理圖

基于上述分析,本文將開(kāi)裂影響因素歸納為7個(gè),具體變量以及對(duì)應(yīng)的參數(shù)特征值見(jiàn)表1。

表1 開(kāi)裂因素變量參數(shù)特征

針對(duì)上述開(kāi)裂因素的隨機(jī)變量參數(shù)特征,本文通過(guò)計(jì)算影響因素對(duì)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的影響程度,完成對(duì)影響因素的敏感性分析。因此,本文通過(guò)構(gòu)建線性回歸方程,對(duì)因素參數(shù)的實(shí)際影響程度進(jìn)行分析,所構(gòu)建的回歸方程表達(dá)式如下[7]:

式中:(xi,yi)為開(kāi)裂因素變量i在回歸直線中的坐標(biāo)值。

將表1中的開(kāi)裂因素變量參數(shù)特征值,代入線性回歸方程中,計(jì)算出不同影響因素對(duì)應(yīng)的敏感性相關(guān)系數(shù)[8]。為了方便直觀比較,對(duì)計(jì)算出的敏感性相關(guān)系數(shù)進(jìn)行歸一化處理,由此得到可視化示意圖,見(jiàn)圖2。

圖2 開(kāi)裂因素敏感度可視化示意圖

由圖2可知,鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)于混凝土開(kāi)裂的影響程度最大,而橋板厚度和寬度對(duì)于開(kāi)裂情況的影響程度最小。因此,在后續(xù)的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)中,本文將忽略影響程度最小的兩個(gè)相關(guān)因素,針對(duì)影響程度較大的相關(guān)因素進(jìn)行重點(diǎn)分析。

1.2 混凝土裂縫寬度計(jì)算

針對(duì)上節(jié)中篩選出的混凝土開(kāi)裂因素變量,對(duì)裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算?；谏鲜鰧?duì)混凝土開(kāi)裂機(jī)理的分析可知,混凝土裂縫寬度與鋼梁的抑制作用有關(guān)。雖然混凝土的抗拉強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致裂縫寬度變大,但混凝土內(nèi)部結(jié)構(gòu)中的鋼梁和栓釘卻能夠反向抑制混凝土表層的開(kāi)裂情況。因此,在進(jìn)行裂縫寬度計(jì)算時(shí),除了要考慮上述歸納出的開(kāi)裂因素變量,還需要考慮到鋼筋的附加應(yīng)變[9]。在相同厚度的混凝土構(gòu)件中,組合梁中性軸的高度差異也會(huì)對(duì)裂縫尺寸產(chǎn)生影響,具體見(jiàn)圖3。

圖3 組合梁中性軸高度差異對(duì)裂縫影響示意圖

由圖3可知,安裝了組合梁中性軸以及栓釘?shù)幕炷翗?gòu)件,其開(kāi)裂程度明顯低于正常的混凝土構(gòu)件,開(kāi)裂情況得到有效抑制。這主要是由于組合梁中性軸和栓釘與混凝土之前存在相對(duì)滑移,從而抑制了混凝土裂縫寬度的擴(kuò)大[10]。因此,本文考慮組合梁中性軸對(duì)裂縫寬度的影響,選擇先對(duì)受拉混凝土有效截面面積進(jìn)行計(jì)算,具體計(jì)算公式如下:

Ae=2c(h-h0)

(3)

式中:Ae為有效截面面積;c為截面寬度;h0為有效截面高度;h為混凝土構(gòu)件高度。

而鋼筋有效接觸面積可以通過(guò)受拉混凝土有效面積以及鋼筋的彈性模量計(jì)算而得,具體公式如下:

式中:A為鋼筋有效接觸面積;n為鋼筋個(gè)數(shù);Es為鋼筋的彈性模量。

基于上述對(duì)混凝土開(kāi)裂影響因素的分析可知,鋼纖維混凝土抗拉強(qiáng)度對(duì)開(kāi)裂程度影響最大,由此可得到參數(shù)的計(jì)算公式如下:

(5)

式中:m為組合梁中性軸到混凝土構(gòu)件頂端之間的距離[11]。

結(jié)合統(tǒng)計(jì)學(xué)分析原理,對(duì)水利樞紐泵閘大體積混凝土最大裂縫寬度進(jìn)行計(jì)算,具體公式如下:

式中:K為鋼筋應(yīng)力;λ為鋼筋附加應(yīng)變常數(shù);ωmax為混凝土最大裂縫寬度。

通過(guò)上述步驟,即可計(jì)算出水利樞紐泵閘大體積混凝土裂縫最大寬度,為后續(xù)的裂縫風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)提供依據(jù)[12]。

1.3 混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算

在完成水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂影響因素分析以及開(kāi)裂寬度的計(jì)算后,本文通過(guò)結(jié)合貝葉斯參數(shù)法,對(duì)開(kāi)裂概率進(jìn)行計(jì)算,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。

大體積混凝土構(gòu)件的開(kāi)裂程度與結(jié)構(gòu)變形傾斜程度相關(guān),當(dāng)構(gòu)件頂部或底部的變形傾斜程度超過(guò)某一界限后,混凝土構(gòu)件的表面就會(huì)發(fā)生開(kāi)裂。因此,首先需要對(duì)混凝土構(gòu)件的變形傾斜程度進(jìn)行計(jì)算,具體公式如下[13]:

式中:γs為混凝土構(gòu)件的變形傾斜程度;ΔS為位于混凝土構(gòu)件同一高度上的兩點(diǎn)沉降差;ΔL為兩點(diǎn)的直線距離[14]。

由于水利樞紐泵閘大體積混凝土在開(kāi)裂之間所持續(xù)的異常狀態(tài)具有較大的波動(dòng)性,因此為對(duì)開(kāi)裂前持續(xù)時(shí)間進(jìn)行表征,可以通過(guò)結(jié)合指數(shù)分布算法構(gòu)建出方程,具體表達(dá)式如下:

式中:TAS為混凝土開(kāi)裂前異常狀態(tài)的持續(xù)時(shí)間;ζ為對(duì)應(yīng)的概率函數(shù)參數(shù);Tq為開(kāi)裂前異常狀態(tài)的期望時(shí)間。

當(dāng)TAS的值超過(guò)閾值時(shí),代表混凝土構(gòu)件表面的張力已經(jīng)達(dá)到極限,此時(shí)將會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂情況。在給定時(shí)間內(nèi),混凝土構(gòu)件出現(xiàn)開(kāi)裂的概率為:

(9)

與開(kāi)裂概率相對(duì)應(yīng)的開(kāi)裂時(shí)間預(yù)估公式如下:

t=-ζln(1-PTAS)

(10)

根據(jù)所計(jì)算出的開(kāi)裂概率,對(duì)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。對(duì)此,本文結(jié)合概率間隔以及概率中間值,將開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)一共分為5級(jí)。其中,一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)所開(kāi)裂的概率最低;五級(jí)風(fēng)險(xiǎn)所開(kāi)裂的概率最高,具體風(fēng)險(xiǎn)概率對(duì)應(yīng)分級(jí)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)與開(kāi)裂概率對(duì)照表

將上文中所計(jì)算出的混凝土開(kāi)裂概率與表2中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)進(jìn)行對(duì)應(yīng),即可得到不同開(kāi)裂概率下對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)結(jié)果,從而實(shí)現(xiàn)混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[15]。

通過(guò)上述步驟,即可完成對(duì)于混凝土開(kāi)裂概率的計(jì)算,通過(guò)結(jié)合概率風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)對(duì)照表,實(shí)現(xiàn)對(duì)開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)測(cè)。將本節(jié)內(nèi)容與上述提到的開(kāi)裂寬度計(jì)算以及開(kāi)裂影響因素敏感性分析等相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行結(jié)合,至此,水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法設(shè)計(jì)完成。

2 試驗(yàn)論證

為了驗(yàn)證本文提出的水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法的預(yù)測(cè)效果,優(yōu)于常規(guī)的大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法,在理論部分的設(shè)計(jì)完成后,構(gòu)建試驗(yàn)環(huán)節(jié),對(duì)本文方法的實(shí)際預(yù)測(cè)效果進(jìn)行檢驗(yàn)。

2.1 試驗(yàn)說(shuō)明

為了驗(yàn)證本文提出的水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法的有效性,本次試驗(yàn)選取兩種常規(guī)的大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法作為對(duì)比對(duì)象,分別為基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法,以及基于蟻群算法的大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法。通過(guò)構(gòu)建試驗(yàn)平臺(tái),采用3種預(yù)測(cè)方法,對(duì)同一組模型進(jìn)行預(yù)測(cè),對(duì)比不同風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法的實(shí)際預(yù)測(cè)效果。

2.2 試驗(yàn)準(zhǔn)備

本次選取的試驗(yàn)對(duì)象為某地區(qū)水利工程的護(hù)岸結(jié)構(gòu)。該工程主要施工內(nèi)容為在現(xiàn)狀河道基礎(chǔ)上進(jìn)行河道整治,根據(jù)現(xiàn)狀河口寬度及河道穩(wěn)定要求,河口寬度不小于現(xiàn)狀,河底高程不高于0.50m,設(shè)計(jì)高程為低于4.60m段加高至4.60m,高于4.60m段維持現(xiàn)狀地面高。工程等別為Ⅲ等工程,主要建筑物護(hù)岸為3級(jí)水工建筑物,臨時(shí)工程為5級(jí)水工建筑物。圖4為現(xiàn)場(chǎng)施工圖。

圖4 研究對(duì)象現(xiàn)場(chǎng)施工圖

為了對(duì)研究對(duì)象的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)對(duì)比分析,本次試驗(yàn)采用有限元軟件Abaqus構(gòu)建出細(xì)觀模型,用于3種預(yù)測(cè)方法的實(shí)際分析。為了更好地比較出3種預(yù)測(cè)方法的實(shí)際預(yù)測(cè)性能,本文從試驗(yàn)對(duì)象中隨機(jī)選取3個(gè)試件進(jìn)行模擬構(gòu)建,具體試件參數(shù)見(jiàn)表3。

根據(jù)上述試驗(yàn)參數(shù),采用有限元軟件Abaqus構(gòu)建出3種試件的細(xì)觀模型,并采用不同的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法對(duì)其進(jìn)行開(kāi)裂預(yù)測(cè)。試件截面見(jiàn)圖5。

為了提高試驗(yàn)結(jié)果的可靠性,本次試驗(yàn)對(duì)3個(gè)試件的混凝土抗壓強(qiáng)度進(jìn)行了調(diào)整,3個(gè)試件的抗壓強(qiáng)度分別調(diào)整為25、30、35N/mm2,并采用3種預(yù)測(cè)方法對(duì)試件進(jìn)行模擬開(kāi)裂預(yù)測(cè),對(duì)比不同方法下的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)誤差值,從而比較出方法的實(shí)際預(yù)測(cè)效果。

表3 試件參數(shù)

圖5 試件截面結(jié)構(gòu)圖

2.3 預(yù)測(cè)精度對(duì)比結(jié)果

本次對(duì)比試驗(yàn)選取的對(duì)比指標(biāo)為不同方法的預(yù)測(cè)精度,具體衡量指標(biāo)為開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)的誤差值,該值越低,代表方法的預(yù)測(cè)精度越高。具體試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖6-圖8。

圖6 試件A的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)誤差對(duì)比結(jié)果

圖8 試件C的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)誤差對(duì)比結(jié)果

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果可以看出,在針對(duì)不同抗壓強(qiáng)度的混凝土試件進(jìn)行開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)時(shí),不同方法的預(yù)測(cè)精度也有所不同。通過(guò)上述開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)誤差對(duì)比結(jié)果可以看出,本文提出的水利樞紐泵閘大體積混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)預(yù)測(cè)方法所得到的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)誤差,明顯低于兩種傳統(tǒng)的預(yù)測(cè)方法,且不會(huì)隨著模擬時(shí)間的延長(zhǎng)出現(xiàn)較大的波動(dòng),表明本文方法的預(yù)測(cè)精度優(yōu)于常規(guī)的預(yù)測(cè)方法。

3 結(jié) 語(yǔ)

本文針對(duì)常規(guī)的混凝土開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法預(yù)測(cè)精度較差的問(wèn)題,通過(guò)對(duì)混凝土開(kāi)裂機(jī)理進(jìn)行分析,歸納出不同的開(kāi)裂影響因素,并對(duì)其進(jìn)行了敏感性分析。在此基礎(chǔ)上,構(gòu)建出的開(kāi)裂風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)方法具備更高的預(yù)測(cè)精度,能夠?qū)炷恋拈_(kāi)裂時(shí)間以及開(kāi)裂概率進(jìn)行精準(zhǔn)預(yù)測(cè)。