混凝土徐变系数研究及在防裂方法中的应用

混凝土结构应力场的计算方法主要有近似解析法、数值解法、精确解析法等[32-33]。数值解法求解的速度与精度伴随着近年计算机的飞速发展得到了迅速的提高,因此,基于数值解法的仿真计算已经成为应力场计算的主要方法。差分法和有限单元法是目前数值解法的两个常规方法,在实际工程的应力场仿真分析中,目前大多采用有限单元法。

美国加州大学的E.L.Wilson最早将有限元仿真计算方法引入混凝土坝应力场计算分析中,并编制了能够模拟大体积混凝土结构分期施工、考虑温度、徐变影响的应力二维有限元分析程序[34],该程序成功地应用在德沃歇克坝(Dworshak Dam)温度和应力的计算中。1985年,美国陆军工程师团的S.B.Tatro和E.K.Schrader发表了对柳溪坝(Willow Creek Dam)——美国第一座碾压混凝土坝,考虑温度和徐变作用的应力场一维有限元分析成果,该成果被认为是针对碾压混凝土的考虑温度和徐变作用的应力场有限元分析的最早文献[35]。1991—1992年间,美国Woodward-Clyde咨询公司突破一维有限元模型,对斯太基科奇坝(Stagecoach Dam)的应力场进行二维有限元分析[36],主要采用了DOT-DICE的最新版本,重点研究了从施工结束到蓄水完毕的两年多时间内温度、徐变及应力场的变化,分析结果较好地反映了水库蓄水后水温对坝体应力场的影响。1992年2月,在美国加州圣地亚哥市举行的第三次RCC会议上,P.K.Barrett等介绍了三维温度和徐变作用的应力场分析软件ANACAP,在大坝温度应力仿真分析中成功地运用了Bazant的Smeared Crack开裂模型。ANACAP软件能逐层模拟计算施工期混凝土坝的应力场,由于受当时计算机硬件水平的限制,因而只是尝试性的计算分析。

由于考虑了徐变作用计算远远复杂于温度场,因而日本学者首先用有限单元法或差分法计算坝体温度场后通过找到特征温差,再应用ADINA软件计算三维应力场,用来预测混凝土结构在施工期和运行期开裂的概率。近年,日本学者在混凝土应力的仿真研究上取得了不少成果,并通过大量试验表明,采用应力计可以便利地测出混凝土各个部位的温度应力,并且得出结论:只要与温度应力有关的材料参数的精度足够,就能满足实测的温度应力的精度。(www.xing528.com)

国内众多学者对水工大体积混凝土结构的温度应力场的研究已经比较全面、深入,达到了国际领先水平[37]。朱伯芳的《大体积混凝土温度应力与温度控制》中提出了多种初始条件和边界条件下板梁和混凝土浇筑块、拱坝、支墩坝、碾压混凝土重力坝、圆形孔结构以及碾压混凝土拱坝的温度徐变应力的分析计算方法,较为全面系统地介绍了温度、应力有限元计算理论。进入20世纪80年代以来,中国水利水电科学研究院、河海大学、清华大学、四川联合大学、天津大学、三峡大学、武汉大学、大连理工大学等都开展了大体积混凝土结构温度应力的攻关研究,分别对沙溪口溢流坝[38]、岩滩工程围堰[39]、铜街子[40]、观音阁[41]、龙滩[42]、普定[43]、溪柄[44]、沙牌[45-47]、小湾[48]、溪洛渡[49]、三峡[50]等在建和已建的重力坝及拱坝进行了温度场和应力场的仿真计算分析,为理论研究和实际应用提供了众多有价值的结论。1997年,刘宁首次将随机有限元法引入大体积混凝土结构随机应力的计算中[51],提出基于初应变隐式解法的随机有限元计算方法。河海大学朱岳明等在大体积混凝土温控防裂仿真计算方面取得了大量成果,完成了多项科研攻关项目[52-60],并且至今所有研究成果在直接指导现场施工建设各过程中全部获得成功,甚至在许多各类结构型式的工程施工期中都没有出现一条结构贯穿性裂缝。