碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力與誘導(dǎo)縫開裂

碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力與誘導(dǎo)縫開裂分析1碾壓混凝土拱壩的發(fā)展概況與溫度應(yīng)力分析理論的研究現(xiàn)狀碾壓混凝土拱壩的發(fā)展概況碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力分析理論的進(jìn)展2本文的工作與創(chuàng)新之處本文的研究屬于國家自然科學(xué)基金資助項目：“碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫等效強度研究”（50179002）的一部分3基于應(yīng)變空間的碾壓混凝土各向異性損傷本構(gòu)模型

碾壓混凝土拱壩溫度場仿真計算方法碾壓混凝土拱壩應(yīng)力場仿真計算方法碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫損傷開裂分析沙牌碾壓混凝土拱壩仿真計算分析

本文的主要工作4基于應(yīng)變空間的碾壓混凝土各向異性損傷本構(gòu)模型碾壓混凝土拱壩溫度場仿真計算碾壓混凝土拱壩應(yīng)力場仿真計算碾壓混凝土拱壩誘導(dǎo)縫損傷開裂分析沙牌碾壓混凝土拱壩仿真計算分析

創(chuàng)新點評價匯總與學(xué)位論文評閱意見創(chuàng)新點外審評價（6人）創(chuàng)新點創(chuàng)新突出有創(chuàng)新一34二24三24四15學(xué)位論文評閱意見(6人)評審項目優(yōu)秀良好論文選題51文獻(xiàn)綜述51學(xué)術(shù)水平51理論與實踐33論文寫作335展望1、計算模型問題

如混凝土表面蒸發(fā)和冷凝計算模型、新老混凝土結(jié)合面初溫賦值模型、混凝土倉面噴霧保護(hù)計算模型、精確的施工參數(shù)和環(huán)境參數(shù)描述模型等等。2、壩體開裂問題

II型I-III或者是I-II-III復(fù)合型開裂的研究有待深入以及如何把斷裂力學(xué)的成果融入溫度應(yīng)力仿真計算中還需要做很多工作。3、仿真分析的可視化問題

4、溫度應(yīng)力分析與反分析的聯(lián)合應(yīng)用問題

使計算和計算結(jié)果處理同時進(jìn)行，才有可能及時發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，做到真正意義上的仿真。實現(xiàn)大壩溫度場、應(yīng)力場仿真分析和反分析的有機結(jié)合，建立從施工到運行的即時監(jiān)控系統(tǒng)。使壩體各部位的溫度應(yīng)力處于即時監(jiān)控狀態(tài)，可以根據(jù)仿真分析和反分析的結(jié)果隨時調(diào)整壩體的施工進(jìn)度、施工方案和及時提出處理措施。

6請各位專家批評指正！謝謝大家！7一、碾壓混凝土拱壩的發(fā)展概況碾壓混凝土拱壩的發(fā)展（1）大壩與圍堰名稱拱形

壩高／m

壩頂長／m

壩址

河流

建設(shè)情況

大壩

Knellpoort

重力拱壩50.0200.00南非九河1988年建成Wolwedans重力拱壩70.0270.00南非大布雷克河1990年建成Paxton重力拱壩17.0－－－南非特蘇爾武河已建成普定雙曲拱壩75.0195.67中國貴州三岔河1994年建成溫泉堡單曲拱壩48.0187.87中國河北湯河1994年建成溪柄溪一級單曲拱壩63.093.00中國福建溪柄溪1996年建成紅坡重力拱壩55.2244.00中國云南沙朗河2000年建成龍首雙曲薄拱壩80.0226.58中國甘肅黑河2001年建成沙牌單曲拱壩132.0250.25中國四川草坡河2003年建成石門子單曲拱壩109.0187.00中國新疆塔西河2001年建成8碾壓混凝土拱壩的發(fā)展（2）一、碾壓混凝土拱壩的發(fā)展概況大壩與圍堰名稱拱形

壩高／m

壩頂長／m

壩址

河流

建設(shè)情況

大壩藺河口雙曲拱壩100.0311.00中國陜西嵐河正在建設(shè)白蓮崖單曲拱壩102.0348.00中國安徽西淠河設(shè)計雷打灘重力拱壩84.0215.00中國云南漫水河設(shè)計玉舍單曲拱壩75.4221.00中國貴州南盤江設(shè)計圍堰

巖灘上游圍堰拱形重力54.3341.80中國廣西紅水河1988年建成隔河巖上游圍堰拱形重力37.0170.00中國湖北清江1988年建成水東拱圍堰單曲拱壩21.6132.85中國福建貢江1992年建成江埡上游圍堰單曲拱壩36.0137.00中國湖南婁水1995年建成大朝山拱圍堰雙曲拱壩52.5175.50中國云南瀾滄江1998年建成9碾壓混凝土拱壩的發(fā)展（3）碾壓混凝土拱壩分縫二、碾壓混凝土拱壩筑壩技術(shù)的發(fā)展1、普定拱壩分縫方案上游面下游面10碾壓混凝土拱壩的發(fā)展（4）碾壓混凝土拱壩壩分縫二、碾壓混凝土土拱壩筑壩技術(shù)術(shù)的發(fā)展2、溪柄溪拱壩壩分縫方案人工短縫縫布置置人工短縫縫構(gòu)造造11碾壓混凝土拱壩的發(fā)展（5）碾壓混凝土拱壩壩分縫二、碾壓混凝土土拱壩筑壩技術(shù)術(shù)的發(fā)展3、沙牌拱分縫縫方案12碾壓混凝土拱壩的發(fā)展（6）碾壓混凝土拱壩壩分縫二、碾壓混凝土土拱壩筑壩技術(shù)術(shù)的發(fā)展1、南非的尼爾波特特(Knellpoort)拱壩和沃爾威威坦斯(Wolwedans)拱壩在拱壩上上下游沿軸線每每10m左右設(shè)設(shè)置1條誘導(dǎo)縫縫。2、普定拱壩采用了壩肩1道道誘導(dǎo)縫，壩體體2條誘導(dǎo)縫的的方案，但是，誘導(dǎo)縫運運行4年未見張張開，1998年壩體其他部部位卻出現(xiàn)多處處裂縫。3、溫泉堡拱壩設(shè)置了2條常規(guī)規(guī)橫縫、2條誘誘導(dǎo)縫和1條常常規(guī)誘導(dǎo)混合縫縫，橫縫于1993年3月張開，，最大達(dá)4.68mm，1994年3月5條設(shè)計橫縫、誘導(dǎo)縫全部張開，1994年4月月進(jìn)行灌漿，運運行后證實橫縫縫結(jié)合效果較好好，未發(fā)現(xiàn)漏水水。1996年年3月，因部分分橫縫張開再次次灌漿。4、溪柄溪拱壩拱冠冠設(shè)置3條、拱拱端2條人工短短縫，不設(shè)橫縫縫，而僅在較高高部位設(shè)置一條條貫通橫縫，人人工短縫改善了了壩體在溫度和和水壓下的應(yīng)力力狀態(tài)。5、沙牌拱壩采用“2條誘導(dǎo)導(dǎo)縫＋2條橫縫縫”的組合方案案，實測結(jié)果表明沙沙牌拱壩分縫形形式是成功的。13碾壓混凝土拱壩的發(fā)展（7）碾壓混凝土拱壩壩施工技術(shù)二、碾壓混凝土土拱壩筑壩技術(shù)術(shù)的發(fā)展碾壓混凝土層面面結(jié)合與初凝時時間控制碾壓混凝土斜層層平攤法澆筑技技術(shù)碾壓混凝土拱壩壩溫度控制美國早期標(biāo)準(zhǔn)為為碾壓混凝土老老化小于2000℃?h；但事實證明，該該成熟度值偏大大，已建的幾座座壩層間結(jié)合不不好，質(zhì)量出現(xiàn)現(xiàn)問題。西班牙牙碾壓混凝土施施工規(guī)定為200℃·h，英國BS則規(guī)定定為400℃·h，我國以初凝時間間作為施工鋪筑筑間歇控制時間間，一般以6～～8h進(jìn)行控制制，以4～6h為好。平鋪的方向有平平行壩軸線和垂垂直壩軸線兩種種，一般坡度為為1:10～1:20。采取取從下游開始鋪鋪筑，使層面傾傾向上游。預(yù)冷骨料,加冰冰用冷水拌制，，運輸加遮陽棚棚，倉面噴霧，，加蓋保溫被等等手段降低澆筑筑溫度。沙牌、石門子、、龍首夏季施工采用埋設(shè)高密度聚乙乙烯冷卻水管，通冷卻水可降低低碾壓混凝土內(nèi)內(nèi)部溫度3～5℃，對施工干擾小。14碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力分分析的進(jìn)展（1）一、碾壓混凝土土材料的本構(gòu)模模型各向同性體、橫橫向各向同性體體、各向異性體體本構(gòu)關(guān)系和破壞壞準(zhǔn)則斷裂特性在溫度場、應(yīng)力力場有限元計算算中，含有層面面的碾壓混凝土土材料是作為各各向同性體、還還是橫向各向同同性體、或者是是各向異性體來來處理？目前，，各向同性體和和橫觀各向同性性體假設(shè)占有上上風(fēng)，由于計算算簡單，各向同同性體假設(shè)應(yīng)用用較為普遍。目前的試驗研究究成果非常多，，但是各自的試試驗都是針對具具體工程，由于于各工程所采用用的碾壓混凝土土材料不同，使使得試驗結(jié)果不不盡相同，不具具有普遍意義。。在碾壓混凝土土的本構(gòu)關(guān)系和和破壞準(zhǔn)則理論論研究中，比較較有代表性的有有內(nèi)時損傷本構(gòu)構(gòu)模型、基于神神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的剪切切本構(gòu)模型、正正交異性損傷本本構(gòu)模型、剪切切破環(huán)準(zhǔn)則等。。在碾壓混凝土材材料的斷裂特性性研究方面，進(jìn)進(jìn)行了碾壓混凝凝土I-II復(fù)復(fù)合型斷裂和層層面徐變斷裂試試驗，進(jìn)行了碾碾壓混凝土層面面II型斷裂的的數(shù)值模擬分析析，采用鈍裂紋紋帶模型進(jìn)行了了碾壓混凝土I型斷裂的數(shù)值值模擬分析，關(guān)關(guān)于碾壓混凝土土層面的I型、、II型、I-II復(fù)合型斷斷裂目前正在進(jìn)進(jìn)行深入的實驗驗和數(shù)值分析方方面研究，III型、I-III復(fù)合型、、I-II-III復(fù)合型斷斷裂方面的實驗驗研究才剛剛開開始。15碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力分分析的進(jìn)展（2）計算規(guī)模與計算算速度問題材料參數(shù)描述問問題二、碾壓混凝土土壩溫度應(yīng)力仿仿真分析存在的的問題仿真分析最主要要的難點就在于于：存儲量計算算量大、運算速速度慢。朱伯芳芳的“擴網(wǎng)并層層算法”和“分區(qū)異步長長算法”，王建建江博士在“八八五”攻關(guān)項目目中提出了減少少網(wǎng)格數(shù)量的““非均質(zhì)單元法法”，陳堯隆等等提出的三維有有限元溫度應(yīng)力力分析的浮動網(wǎng)網(wǎng)格法，趙代深教授提出出的混凝土溫度應(yīng)力力分析的多層動動態(tài)子結(jié)構(gòu)方法法，黃達(dá)海的“波波函數(shù)法”。上述方法在提高高運算速度的同同時，也引起了了一些負(fù)效應(yīng)。。模型中涉及到到“人工邊界””的反復(fù)調(diào)整，，不可避免地使使用各類過渡單單元，使并層在在程序處理上遇遇到許多麻煩，，數(shù)據(jù)交換自動動化程序設(shè)計困困難重重，前處處理工作量讓人人望而卻步。碾壓混凝土熱學(xué)學(xué)參數(shù)主要指混混凝土的導(dǎo)溫系系數(shù)、導(dǎo)熱系數(shù)數(shù)、環(huán)境熱交換換系數(shù)、絕熱溫溫升變化等；力力學(xué)參數(shù)主要指指混凝土彈性模模量、抗壓和抗抗拉強度、極限限拉伸值、徐變變度和自生體積積變形?；炷镣恋慕^熱溫升、、彈性模量、徐徐變度和自身體體積變形嚴(yán)重地地依賴著混凝土土的齡期，而且且熱學(xué)和力學(xué)參參數(shù)也受混凝土土溫度的影響，，這些因素使得得碾壓混凝土大大壩應(yīng)力場的計計算遠(yuǎn)比一般結(jié)結(jié)構(gòu)復(fù)雜。16碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力分分析的進(jìn)展（3）施工參數(shù)和環(huán)境境參數(shù)的描述問問題壩體損傷開裂問問題二、溫度應(yīng)力仿仿真分析存在的的問題施工參數(shù)包括施施工過程中的結(jié)結(jié)構(gòu)幾何模型、、施工過程中的的自然條件、施施工過程中的設(shè)設(shè)計變量等。結(jié)結(jié)構(gòu)幾何模型的的描述，完全受受控于施工進(jìn)度度和施工方法。。設(shè)計人員在描描述這一問題時時，一般只提當(dāng)當(dāng)前月或者一個個連續(xù)施工期的的混凝土澆筑強強度，對于每天天中混凝土澆筑筑部位和澆筑層層厚，往往非常常模糊，至于每每個碾壓層的澆澆筑時間、間歇歇時間、晝夜的的差別則更是難難以精確確定。。環(huán)境參數(shù)包括施施工期和運行期期的氣溫、水溫溫、地溫、日照照、風(fēng)速等經(jīng)常常性參數(shù)，這些些資料都需要預(yù)預(yù)測，而如何描描述和使用這些些參數(shù)很不容易易。如果要精確跟蹤蹤裂縫的擴展，，應(yīng)該在裂縫尖尖端劃分較細(xì)的的網(wǎng)格，隨著裂裂縫的擴展不斷斷的重新剖分網(wǎng)網(wǎng)格，直到裂縫縫穿透壩體最終終完全破壞。對于高拱壩的三三維分析模型，，如何跟蹤裂縫縫的擴展，目前前在理論方面還還存在困難；如如果再考慮施工工過程中的網(wǎng)格格變化、溫度、、徐變、自生體體積變形等因素素，問題將更為為復(fù)雜。對于誘導(dǎo)縫，目前的研究結(jié)果果都是假定為I型斷裂，假設(shè)設(shè)誘導(dǎo)縫所在單單元的第一主應(yīng)應(yīng)力垂直縫面，，通過斷裂力學(xué)學(xué)的方法建立應(yīng)應(yīng)力強度因子和和第一主應(yīng)力的的關(guān)系，把斷裂裂韌度判據(jù)轉(zhuǎn)化化為等效強度判判據(jù)作為開裂準(zhǔn)準(zhǔn)則。17碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力分分析的進(jìn)展（4）結(jié)果可視化問題題計算模型問題二、溫度應(yīng)力仿仿真分析存在的的問題仿真分析的輸入入輸出數(shù)據(jù)的處處理也是異常復(fù)復(fù)雜的，要獲得得有代表意義的的計算結(jié)果，必必須配備強大的的前后處理器。。將結(jié)果用直觀觀的圖形輸出代代替數(shù)字輸出。?；贏NSYS通用軟件對有限元仿真計計算結(jié)果進(jìn)行前前后處理，為仿仿真分析結(jié)果的的可視化提供了了一條新的解決決途徑。在溫度場計算模模型中，對于第第三類邊界條件件的處理，一般般采用下面的公公式：由于混凝土表面面的蒸發(fā)和冷凝凝作用，也會有有熱量散失，其其結(jié)果是相當(dāng)于于在上式中加入入蒸發(fā)熱量損失失項：目前關(guān)于日照、、蒸發(fā)和冷凝的的物理數(shù)學(xué)模型型還很不完善，，基本上還是根根據(jù)經(jīng)驗選取。。尤其是蒸發(fā)和和冷凝的的經(jīng)驗驗資料也很少。。18碾壓混凝土拱壩溫度應(yīng)力分分析的進(jìn)展（5）碾壓混凝土壩溫溫度應(yīng)力分析理理論總結(jié)基于實驗基礎(chǔ)上上所建立的本構(gòu)構(gòu)模型和破壞準(zhǔn)準(zhǔn)則一般不具有有普遍適用性；；對于碾壓混凝凝土層面破壞準(zhǔn)準(zhǔn)則的研究大多多數(shù)采用強度理理論，層面斷裂裂的研究還處于于I型斷裂方面，II型、I-II、I-III以及I-II-III復(fù)合型斷裂方面面的試驗和理論論研究剛剛起步步。溫度場和應(yīng)力場場數(shù)學(xué)力學(xué)模型型和計算方法基基本相同。應(yīng)力場除個別文文獻(xiàn)應(yīng)用混凝土土粘彈塑性模型型和軟化模型外外，大多數(shù)采用用混凝土粘彈性性本構(gòu)模型；壩體損傷開裂分分析基本上采用用“強度”準(zhǔn)則則的或者是基于于斷裂理論的““強度”準(zhǔn)則；；溫度應(yīng)力分析析和反分析相互互獨立。簡化與復(fù)雜并存存。一方面為減減少計算量和突突出主要問題，，盡可能使問題題簡化，有的采采用簡單的數(shù)學(xué)學(xué)力學(xué)模型；另另一方面力求仿仿真計算結(jié)果與與實際接近，在在仿真計算中考考慮諸多因素的的影響進(jìn)行全過過程分析，總的的趨勢是向復(fù)雜雜方向發(fā)展。19創(chuàng)新點一基于應(yīng)變空間的的碾壓混凝土各各向異性損傷本本構(gòu)模型根據(jù)碾壓混凝土土材料的力學(xué)特特性和損傷拉壓壓顯著不同的特特點，分別在拉拉應(yīng)變和壓應(yīng)變變空間建立了碾碾壓混凝土的本本構(gòu)關(guān)系和損傷傷演化方程。在在拉應(yīng)變空間，，考慮彈性與損損傷耦合；在壓壓應(yīng)變空間，考考慮彈塑性與損損傷耦合。應(yīng)用用正交各向異性性損傷理論描述述碾壓混凝土的的剛度退化和應(yīng)應(yīng)變軟化，應(yīng)用用內(nèi)時理論來描描述碾壓混凝土土的彈塑性特性性，建立了復(fù)雜雜應(yīng)力狀態(tài)下的的碾壓混凝土彈彈塑性損傷本構(gòu)構(gòu)模型。20基于應(yīng)變空間的碾碾壓混凝土各向異異性損傷本構(gòu)模型型（1）1、本構(gòu)關(guān)系的建建立在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下下，將應(yīng)變張量分分解成拉應(yīng)變和壓壓應(yīng)變形式：其中為應(yīng)變正特征值（（拉主應(yīng)變），為應(yīng)變負(fù)特征值（（壓主應(yīng)變）。相相應(yīng)和為拉、壓主應(yīng)變產(chǎn)產(chǎn)生的主應(yīng)力值：：Sidoroff能量等價原理1.1復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下的的本構(gòu)關(guān)系1.2有效／名義應(yīng)力應(yīng)應(yīng)變關(guān)系Lemaitre應(yīng)變等價原理21基于應(yīng)變空間的碾碾壓混凝土各向異異性損傷本構(gòu)模型型（2）2、拉應(yīng)變空間的的本構(gòu)模型假設(shè)損傷主軸、拉拉應(yīng)變主軸、拉應(yīng)應(yīng)力主軸相互重合合；各正交主軸方方向損傷相互無影影響；損傷為彈性性損傷。可得主軸軸坐標(biāo)系下拉空間間受損混凝土材料料全量形式的本構(gòu)構(gòu)關(guān)系：2.1正交各向異性損傷傷本構(gòu)模型總體坐標(biāo)系下拉空空間受損混凝土材材料全量形式的本本構(gòu)關(guān)系：總體坐標(biāo)系下拉空空間受損混凝土材材料增量形式的本本構(gòu)關(guān)系：22基于應(yīng)變空間的碾碾壓混凝土各向異異性損傷本構(gòu)模型型（3）2、拉應(yīng)變空間的的本構(gòu)模型在拉應(yīng)變空間，破破壞時沒有殘余應(yīng)應(yīng)力存在，損傷變變量的最大值為1.0，卸載過程程中，沒有損傷積積累，損傷變量是是非減函數(shù)：2.2損傷演變方程A、B為曲線參數(shù)數(shù)，為拉應(yīng)應(yīng)力峰值點處的割割線模量23基于應(yīng)變空間的碾碾壓混凝土各向異異性損傷本構(gòu)模型型（4）3、壓應(yīng)變空間的的本構(gòu)模型3.1內(nèi)蘊時間的定義內(nèi)蘊時間是表征變變形中材料特性和和變形程度的一個個非減標(biāo)量。對于碾壓混凝土材料，其塑塑性體積應(yīng)變主要要來自微裂縫的影影響，如果把微裂裂縫影響（它所引引起的混凝土的軟軟化、體積膨脹、、彈塑性耦合及塑塑性體積應(yīng)變）作作為損傷問題分離離出來，且不考慮慮塑性偏應(yīng)變與塑塑性體積應(yīng)變在形形成廣義內(nèi)摩擦力力時的耦合效應(yīng)。為考慮循環(huán)加、卸卸載的系數(shù)為內(nèi)蘊時間標(biāo)度為內(nèi)蘊時間量度24基于應(yīng)變空間的碾碾壓混凝土各向異異性損傷本構(gòu)模型型（5）3、壓應(yīng)變空間的的本構(gòu)模型3.2彈塑性內(nèi)時本構(gòu)關(guān)關(guān)系在壓應(yīng)變空間，考考慮彈塑性與損傷傷耦合，忽略靜水水壓應(yīng)變的塑性部部分，得到偏量形形式的本構(gòu)方程：：寫成矩陣形式：加載函數(shù)：可得本構(gòu)方程如下下：25基于應(yīng)變空間的碾碾壓混凝土各向異異性損傷本構(gòu)模型型（6）3、壓應(yīng)變空間的的本構(gòu)模型在壓應(yīng)變空間，破破壞時有殘余應(yīng)力力存在，損傷變量量的最大值小于1.0，卸載過程程中，沒有損傷積積累，損傷變量是是非減函數(shù)：3.3損傷演變方程A、B為曲線參數(shù)數(shù)，為壓應(yīng)應(yīng)力峰值點處的割割線模量26基于應(yīng)變空間的碾碾壓混凝土各向異異性損傷本構(gòu)模型型（7）4、模型計算結(jié)果果與試件結(jié)果的比比較（1）碾壓混凝土試件尺尺寸cm，層面處理試件，材材料參數(shù)為：，，，，，，，，，,。圖1-1模型計計算結(jié)果與實驗值值的比較(單軸拉拉伸)圖1-2模型型計算結(jié)果與實驗驗值的比較(單軸軸壓縮)圖1-3模型計計算結(jié)果與實驗值值的比較(雙軸壓壓)a=0.2527基于應(yīng)變空間的碾碾壓混凝土各向異異性損傷

本構(gòu)模模型（8）4、模型計算結(jié)果果與試件結(jié)果的比比較（2）圖1-4模型型計算結(jié)果與實驗驗值的比較(雙軸軸壓)a＝0.5圖1-5模型計計算結(jié)果與實驗值值的比較(雙軸壓壓)a＝0.75圖1-6模型計計算結(jié)果與實驗值值的比較(雙軸壓壓)a＝1.0圖1-7模型型計算結(jié)果與實驗驗值的比較(雙軸軸拉壓)a＝－0.05圖1-8模型型計算結(jié)果與實驗驗值的比較(雙軸軸拉壓)a＝－0.128創(chuàng)新點二碾壓混凝土拱壩溫溫度場仿真計算方方法1、碾壓混凝土澆澆筑層初始溫度和和絕熱溫升計算根據(jù)碾壓混凝土壩壩薄層碾壓、連續(xù)續(xù)均勻上升的施工工特點，考慮各碾碾壓層混凝土澆筑筑時間和水化熱散散發(fā)時間的不同，，應(yīng)用Laplace變換法和疊疊加原理求出了多多層板狀結(jié)構(gòu)體的的溫度場理論解答答，然后以此解析析解為基礎(chǔ)，合并并多個碾壓層為一一個澆筑層，建立立了溫度場等效模模型，提出了復(fù)合合澆筑層的等效初初始溫度和等效絕絕熱溫升的計算方方法。2、大體積混凝土土不穩(wěn)定溫度場求求解的迭代算法根據(jù)差分法求解的的基本特點，應(yīng)用用拉格朗日中值定定理，提出一種迭迭代算法，在適當(dāng)當(dāng)加大時間步長的的同時，保證了求求解精度，或者在在時間不長不變的的情況下，提高求求解精度。29碾壓混凝土拱壩溫溫度場仿真分析方方法（1）1、碾壓混凝土澆筑層層初始溫度和絕熱熱溫升計算1.1二層混凝土澆筑體體溫度場dD情況①情況②情況③情況④碾壓層厚度僅為0.3～0.5m，每天連續(xù)施工工5～6層，層面面暴露時間為3～～4小時，間歇期期為4～5天。如如果把一天甚至一一個連續(xù)施工期內(nèi)內(nèi)澆筑的多個碾壓壓層當(dāng)作一個澆筑筑層來計算，該澆澆筑層的初始溫度度和絕熱溫升該如如何選??？30碾壓混凝土土拱壩溫度度場仿真分分析方法（2）1、碾壓混凝土土澆筑層初初始溫度和和絕熱溫升升計算1.2多層混凝土土澆筑體溫溫度場dD情況⑤情況⑥情況③情況④DD31碾壓混凝土土拱壩溫度度場仿真分分析方法（3）1、碾壓混凝土土澆筑層初初始溫度和和絕熱溫升升計算1.3等效初始溫溫度和絕熱熱溫升計算算假設(shè)：1、澆筑層層的齡期從從最后澆筑筑的碾壓層層澆筑完畢畢時刻算起起。2、在澆筑筑層形成的的時間段內(nèi)內(nèi)，不考慮慮各復(fù)合澆澆筑層混凝凝土之間的的熱量交換換。3、把各碾碾壓層暴露露在大氣中中的時間之之和簡化為為由一個澆澆筑層暴露露在大氣中中的時間。。這相當(dāng)于于在計算初初始溫度時時不考慮層層面暴露時時間，把這這部分時間間計入澆筑筑層形成后后的暴露在在大氣中的的時間。4、均勻考考慮日照的的影響，相相當(dāng)于平均均氣溫和氣氣溫變化幅幅值增加。。等效初始溫溫度：等效絕熱溫溫升：32碾壓混凝土土拱壩溫度度場仿真分分析方法（4）1、碾壓混凝土土澆筑層初初始溫度和和絕熱溫升升計算1.4算例碾壓混凝土土澆筑層溫溫度場分布布與時間過過程曲線1d2d5d10d20d時間日平均氣溫（）1day15.2

2day15.66

5day16.35

10day17.5

20day19.79

大氣溫度變變化表33碾壓混凝土土拱壩溫度度場仿真分分析方法（5）2、大體積混凝凝土不穩(wěn)定定溫度場求求解的迭代代算法2.1誤誤差形成示示意圖：理論解向前差分向后差分中點差分T~t曲線線34碾壓混凝土土拱壩溫度度場仿真分分析方法（6）2、大體積混凝凝土不穩(wěn)定定溫度場求求解的迭代代算法2.2迭迭代算法：：已知在在時間域域上連續(xù)并并可導(dǎo)，那那么由拉格格朗日微分分中值定理理可知，，在和和之之間至少少存在一點點，使使得：設(shè)則得不穩(wěn)定定度場有限限元格式解解（用迭代代法求解））35創(chuàng)新點三碾壓混凝土土拱壩應(yīng)力力場仿真計計算方法應(yīng)用溫度損損傷和溫度度對徐變的的影響建立立了考慮溫溫度影響的的混凝土彈彈性模量表表達(dá)式和徐徐變應(yīng)變計計算的遞推推公式，應(yīng)應(yīng)用粘彈性性與損傷耦耦合和正交交各向異性性損傷理論論描述了混混凝土在高高應(yīng)力水平平下的非線線性徐變特特性和由于于微裂縫擴擴展引起的的剛度退化化和應(yīng)變軟軟化，建立立了考慮溫溫度影響的的大體積混混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)應(yīng)力場分分析的粘彈彈性有限元元表達(dá)式。。36碾壓混凝土土拱壩應(yīng)力力場仿真分分析方法（1）1、考慮溫度影影響的應(yīng)力力場粘彈性性分析方法法1.1考考慮溫度影影響的混凝凝土彈性模模量在溫度小幅幅變化范圍圍內(nèi)，溫度度損傷即混混凝土彈性性模量的降降低可以擬擬合為溫差差的多項式式函數(shù)：溫升差(°C)510152025303540彈模損傷實驗值0.0110.0220.0320.0430.0530.0630.0780.113溫降差510152025303540彈模損傷實驗值0.0170.0320.0480.0670.0880.1110.1340.161表4-1溫溫度變變化時混凝土彈性性模量損傷實驗值［16］37碾壓混凝土土拱壩應(yīng)力力場仿真分分析方法（2）1、考慮溫度影影響的應(yīng)力力場粘彈性性分析方法法1.2考考慮溫度影影響的混凝凝土徐變度度則徐變應(yīng)變變增量遞推推公式如下下：設(shè)考慮溫度度影響的混混凝土徐變變度表示如下：按照上述遞遞推公式對對大體積混混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值值計算時，，不必記錄錄應(yīng)力歷史史。38碾壓混凝土土拱壩應(yīng)力力場仿真分分析方法（3）1、考慮溫度影影響的應(yīng)力力場粘彈性性分析方法法1.2考考慮溫度影影響的混凝凝土徐變度度文獻(xiàn)［11］的試驗驗資料：在在混凝土試試件14天天恒溫在20°C，，然后開始始加溫到40°C、、62°C、、80°°C，齡齡期15天天加載，保保持試件恒溫，，測得變形形如圖1。?；炷翍?yīng)變－時間曲線20oC40oC62oC80oCμε39碾壓混凝土土拱壩應(yīng)力力場仿真分分析方法（4）1、考慮溫度影影響的應(yīng)力力場粘彈性性分析方法法1.3復(fù)復(fù)雜應(yīng)力狀狀態(tài)下大體體積混凝土土粘彈性有有限元表達(dá)達(dá)式總體坐標(biāo)系系下受損材料的的增量形式式本構(gòu)方程程如下：主軸坐標(biāo)系下受受損材料的的增量形式式本構(gòu)方程程如下：大體積混凝凝土應(yīng)力場場考慮溫度度影響的非非線性粘彈彈性有限元元方程：40創(chuàng)新點四碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析通過多組不不同削弱度度的深埋橢橢圓裂縫、、深埋矩形形裂縫、穿穿透裂縫三三種形式的的碾壓混凝凝土試件軸軸拉試驗結(jié)結(jié)果，建立立了深埋矩矩形裂縫碾壓混凝土土試件的應(yīng)力強度度因子的近近似解析表表達(dá)式，采采用虛擬裂裂縫模型和和連續(xù)損傷傷力學(xué)方法法，計算了了斷裂過程程區(qū)的長度度和損傷度度。根據(jù)碾碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫構(gòu)造特特點，考慮慮相鄰裂縫縫的影響，，應(yīng)用雙K斷裂準(zhǔn)則則，計算了了誘導(dǎo)縫起起始擴展和和失穩(wěn)擴展展時的等效效強度、等等效應(yīng)變和和等效損傷傷度，建立立了碾壓混混凝土拱壩壩誘導(dǎo)縫的的損傷開裂裂準(zhǔn)則。41碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（1）1、單軸拉伸試試驗試驗概況：：組成用量:kg/m3水泥(425#)383河砂(細(xì)度模數(shù)2.6~2.8)663石子(5~20mm)1154水193粉煤灰(一級)90外加劑(DK-5)0.75％力學(xué)性能:ft=

1.765MPaE0=19GPaμ=0.18預(yù)留縫類型試件尺寸LXWXt(mm)預(yù)留縫尺寸2cX2a(mm)Pmax(kN)550X150X150橢圓形預(yù)留縫70X10038.2165x10040.2160x9042.8255X8543.06穿透預(yù)留縫51X15032.243.4X15035.9836X15040.1231.2X15044.95矩形預(yù)留縫70X10032.4865x10035.3760x9040.255X8542.08試件材料參數(shù)42碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（2）1、單軸拉伸試試驗試驗概況：：試件破壞照照片試件加載與與數(shù)據(jù)采集集Grab采集系統(tǒng)東華數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)傳感器1傳感器2應(yīng)變片夾式位移計試件圖5-1數(shù)據(jù)采集系和加載裝置Fig.5-1SchematicplanofDataacquisitionsystem43碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（3）1、單軸拉伸試試驗矩形誘導(dǎo)縫縫應(yīng)力強度度因子和碾碾壓混凝土土斷裂韌度度計算當(dāng)試件高度度大于2m時，混凝凝土斷裂韌韌度趨于穩(wěn)穩(wěn)定考慮尺尺寸效應(yīng)后后，碾壓混凝凝土的斷裂裂韌度假設(shè)深埋矩形形預(yù)留縫試試件的應(yīng)力力強度因子子可以由深深埋橢圓預(yù)預(yù)留縫或穿穿透預(yù)留縫縫試件的應(yīng)應(yīng)力強度因因子通過修修正系數(shù)求求得：是簡化為穿穿透形裂縫縫的削弱面面積增加率率是矩形裂縫縫的面積削削弱率44碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（4）2、碾壓混凝土土斷裂模型型單直線模型型雙直線模型型2.1應(yīng)變變軟化模型型：2.2沙牌牌碾壓混凝凝土試驗參參數(shù)：斷裂能(N/m)泊松比彈性模量(GPa)10-3mmc1c2129.00.1819.027.50.7530.16745碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（5）2、碾壓混凝土土斷裂模型型斷裂過程區(qū)區(qū)有效裂縫縫長度(閉閉合力單直直線分布)2.3斷裂裂過程區(qū)模模型圖5-9斷裂過程區(qū)應(yīng)變、剛度分布(雙直線模型)圖5-8斷裂過程區(qū)應(yīng)變、剛度分布(單直線模型)斷裂過程區(qū)區(qū)應(yīng)變、割割線模量分分布46碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（6）2、碾壓混凝土土斷裂模型型斷裂過程區(qū)區(qū)應(yīng)變單直直線分布2.3斷裂裂過程區(qū)等等效損傷度度計算斷裂過程區(qū)區(qū)損傷度計計算單直線模型

1.540.651雙直線模型1.080.1820.70.30.1670.080.688斷裂過程區(qū)區(qū)應(yīng)變雙直直線分布47碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（7）3、沙牌誘導(dǎo)縫構(gòu)造造誘導(dǎo)縫典型型布置碾壓層誘導(dǎo)縫模板(對接)誘導(dǎo)縫縫面流向誘導(dǎo)縫斷面誘導(dǎo)縫斷面誘導(dǎo)縫計算算簡圖無無限限大板穿透透裂縫模型型無無限大體體深埋橢圓圓裂縫模型型48碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（8）4、沙牌誘導(dǎo)縫等效效強度計算算(1)修正正無限大板板穿透裂縫縫模型(2)修正正無限大體體深埋橢圓圓裂縫模型型無限大板穿透裂縫模型無限大體深埋橢圓裂縫模型a/w=0.333上游面a/c=0.1壩體中部a/c=0.3下游面a/c=0.15單直線模型雙直線模型單直線模型雙直線模型單直線模型雙直線模型單直線模型雙直線模型0.4930.4930.4930.4930.4930.4930.4930.4931.051.051.051.051.051.051.051.050.950.95－－－－－－－－－－－－－－－－1.121.121.121.121.121.120.2660.280.2660.280.2660.280.2660.28－－－－1.01481.01481.09651.09651.03141.03140.540.530.490.480.5690.560.5360.526采用值49碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（9）5、沙牌誘導(dǎo)縫等效效應(yīng)變計算算(1)修修正無限大大板穿透裂裂縫模型(2)修修正無限大大體深埋橢橢圓裂縫模模型采用值50碾壓混凝土土拱壩誘導(dǎo)導(dǎo)縫損傷開開裂分析（10）5、沙牌誘導(dǎo)縫等效效應(yīng)變計算算無限大板穿透裂縫模型無限大體深埋橢圓裂縫模型a/w=0.333上游面a/c=0.1壩體中部a/c=0.3下游面a/c=0.15單直線模型雙直線模型單直線模型雙直線模型單直線模型雙直線模型單直線模型雙直線模型0.4930.4930.4930.4930.4930.4930.4930.4930.2160.2150.2160.2150.2160.2150.2160.2151.051.051.051.051.051.051.051.050.950.95－－－－－－－－－－－－0.2660.2661.121.121.041.041.041.04－－－－1.01481.01481.09651.09651.03141.03141.2861.2861.2861.2861.2861.2861.2861.2860.220.220.220.220.220.220.220.221.651.7071.651.7071.651.7071.651.7070.3720.3940.3720.3940.3720.3940.3720.3940.4060.4040.350.3480.4060.4040.3820.380.8920.90.7680.7750.8940.9020.840.84851沙牌碾壓混混凝土拱壩壩溫度應(yīng)力力仿真計算算分析（1）根據(jù)沙牌工工程的大壩壩幾何尺寸寸、環(huán)境參參數(shù)、材料料參數(shù)、施施工參數(shù)和和蓄水參數(shù)數(shù)，進(jìn)行了了沙牌碾壓壓混凝土拱拱壩施工期期和運行期期的溫度場場和應(yīng)力場場計算。根根據(jù)施工期期仿真計算算結(jié)果結(jié)合合大壩施工工期的部分分觀測資料料，分析了了壩體施工工期溫度場場和應(yīng)力場場的分布特特點和變化化規(guī)律，以以及大壩的的損傷開裂裂情況和誘誘導(dǎo)縫的張張開時間，，為沙牌大大壩后期施施工提出了了建議；根根據(jù)運行期期仿真計算算結(jié)果對蓄蓄水后壩體體溫度場、、應(yīng)力場變變化規(guī)律和和損傷開裂裂情況進(jìn)行行了分析。。52沙牌碾壓混混凝土拱壩壩溫度應(yīng)力力仿真計算算分析（2）1沙牌拱壩溫度場場仿真計算算成果分析析1.1壩壩體施工期期和運行期期最高溫度度場分布施工期最高高溫度場分分布運行期最高高溫度場分分布整個施工工期歷時時1159天（（1999年3月29日～2002年5月月31日日）,壩壩體最高高溫度達(dá)達(dá)38.824°C,整個個施工期期間共出出現(xiàn)四次次峰值，，第一次次34.87°C,（1999年4月月24日日,1745高高程）;第二次次38.7°C,（1999年9月月14日日,1758高高程）;第三次次35.5°C,（2001年6月月7日,1790高程程）;第第四次38.824°C（2002年年8月8日,1818高程））。運行行期最高高溫度35.1°C（考慮慮日照影影響）。。53沙牌碾壓壓混凝土土拱壩溫溫度應(yīng)力力仿真計計算分析析（3）1沙牌牌拱壩溫度度場仿真真計算成成果分析析1.2特特征點點溫度－－時間分分布規(guī)律律1746高程拱拱冠梁中中心點溫溫度－時時間過程程線取拱冠梁梁剖面中中心點1746、1776、、1798、1824、1842高高程的5點，對對其溫度度變化進(jìn)進(jìn)行對比比分析，，由于只只有施工工期的部部分實測測資料，，考慮到到環(huán)境、、材料、、施工等等各種影影響因素素的隨機機型和不不確定性性，總的的來說計計算值與與實測值值的符合合還是不不錯的。。1776高程拱拱冠梁中中心點溫溫度－時時間過程程線54沙牌碾壓壓混凝土土拱壩溫溫度應(yīng)力力仿真計計算分析析（4）1沙牌牌拱壩溫度度場仿真真計算成成果分析析1.2特特征點點溫度－－時間分分布規(guī)律律1798高程拱拱冠梁中中心點溫溫度－時時間過程程線1824高程拱拱冠梁中中心點溫溫度－時時間過程程線1842高程拱拱冠梁中中心點溫溫度－時時間過程程線55沙牌碾壓壓混凝土土拱壩溫溫度應(yīng)力力仿真計計算分析析（5）1沙牌牌拱壩溫度度場仿真真計算成成果分析析1.3大大壩拱拱冠梁溫溫度分布布規(guī)律第370天(2000年3月13日)第1260天(2002年8月21日)[第一次次蓄水前前10天天]第1125天(2002年4月7日日)第1280天(2002年9月1日日)[第一次次蓄水后后10天天]第1400天(2000年3月13日)56沙牌碾壓壓混凝土土拱壩溫溫度應(yīng)力力仿真計計算分析析（6）1沙牌牌拱壩溫度度場仿真真計算成成果分析析1.3大大壩拱拱冠梁溫溫度分布布規(guī)律第2330天(2005年7月31日)第1550天(2003年年6月9日)[第二次蓄水水前10天]第1610天天(2003年年8月7日)[第二次蓄水水后10天]第1770天天(2004年年1月15日日)第1960天天(2004年年7月25日日)57沙牌碾壓混凝凝土拱壩溫度度應(yīng)力仿真計計算分析（7）2沙牌拱壩應(yīng)力場仿仿真計算成果果分析2.1左右兩兩岸不同高程程上下游面應(yīng)應(yīng)力—時間曲曲線左右兩岸壩肩肩的主拉應(yīng)力力（第一主應(yīng)應(yīng)力）有相同同的變化規(guī)律律，在壩體溫溫度上升期間間（進(jìn)入夏季季）主拉應(yīng)力力逐漸減小，，在壩體溫度度下降期間（（進(jìn)入冬季））主拉應(yīng)力逐逐漸增大。1758高程程左右岸上游游面存在較大大拉應(yīng)力，施施工期間會出出現(xiàn)開裂，蓄蓄水后主拉應(yīng)應(yīng)力明顯減小?。?790高程左右兩兩岸下游面存存在較大拉應(yīng)應(yīng)力，會出現(xiàn)現(xiàn)開裂；1842高程左左右兩岸下游游面存在較大大拉應(yīng)力，但但是由于1818高程以以上設(shè)置橫縫縫，使得壩肩肩應(yīng)力狀況得得到明顯改善善。圖6-191758高程右岸上游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(day)圖6-201758高程右岸下游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(day)圖6-211758高程左岸上游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(day)圖6-221758高程左岸下游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(day)58沙牌碾壓混凝凝土拱壩溫度度應(yīng)力仿真計計算分析（8）2沙牌拱壩應(yīng)力場仿仿真計算成果果分析2.1左右兩兩岸不同高程程上下游面應(yīng)應(yīng)力—時間曲曲線(MPa)(day)圖6-231790高程右岸上游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(day)圖6-241790高程右岸下游面應(yīng)力－時間曲線圖6-251790高程左岸上游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(day)圖6-261790高程左岸下游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(day)圖6-271824高程右岸上游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(day)(MPa)(day)圖6-281824高程右岸下游面應(yīng)力－時間曲線圖6-291824高程左岸上游面應(yīng)力－時間曲線(MPa)(MPa)day圖6-301824高程左岸下游面應(yīng)力－時間曲線59沙牌碾壓混凝凝土拱壩溫度度應(yīng)力仿真計計算分析（9）2沙牌拱壩應(yīng)力場仿仿真計算成果果分析2.2壩面上上下游應(yīng)力分分布情況左右壩面主應(yīng)應(yīng)力具有大致致對稱性。橫橫縫的作用非非常明顯，1810高程程以上由于設(shè)設(shè)置橫縫，壩壩體應(yīng)力分布布出現(xiàn)明顯分分區(qū)，有效地地削減了左右右岸壩肩、壩壩面的拉應(yīng)力力；誘導(dǎo)縫的的作用雖不如如橫縫顯著，，但從云圖中中可以看出，，壩體應(yīng)力也也出現(xiàn)明顯分分區(qū)，誘導(dǎo)縫縫也有效地消消減了壩體應(yīng)應(yīng)力，使壩體體拉應(yīng)力處于于可控制范圍圍內(nèi)。在整整個施工期間間，上游面拉拉應(yīng)力分布情情況略好于下下游面，蓄水水后上游面拉拉應(yīng)力明顯減減小。圖6-31上游面面1040天天（2002年1月12日）圖6-32下游面面1040天天（2002年1月12日）60沙牌碾壓混凝凝土拱壩溫度度應(yīng)力仿真計計算分析（10）2沙牌拱壩應(yīng)力場仿仿真計算成果果分析2.2壩面上上下游應(yīng)力分分布情況圖6-33上游面面1260天天(2002年8月21日)[第一一次蓄水前10天]圖6-34下游面1260天(2002年年8月21日日)[第一次次蓄水前10天]圖6-35上游面1280天(2002年年9月10日日)[第一次次蓄水后10天]圖6-36下游面1280天(2002年年9月10日日)[第一次次蓄水后10天]61沙牌碾壓混凝凝土拱壩溫度度應(yīng)力仿真計計算分析（11）2沙牌拱壩應(yīng)力場仿仿真計算成果果分析2.2壩面上上下游應(yīng)力分分布情況圖6-37上游面面1770天天（2004年1月15日）圖6-37下游面面1770天天（200