水工混凝土温控和湿控防裂方法研究

论文摘要

本文主要就混凝土的水化温升模型、考虑损伤的温度及应力计算模型、混凝土湿度及干缩应力宏观、细观基本理论及模型、水管冷却计算方法以及与温度、湿度参数相关的试验等几个与实际工程紧密相关的问题进行了较为系统的研究，主要内容和成果如下： （1）系统地回顾和阐述了混凝土温控及仿真计算、湿度场与干缩应力以及细观损伤力学等方面的发展及研究现状，指出了在这些领域仍然存在及尚待解决的问题，并提出了解这些问题的一些较为实用先进的思路和方法。 （2）引入考虑自身温度历程影响的水化放热理论新模型及考虑损伤影响的混凝土应力场仿真计算理论，认为传统的粘弹性温度、徐变应力场仿真计算中，除了温度计算时需要考虑混凝土的温变、时变特性外，在应力计算中还需考虑各种外荷载导致损伤作用的影响。 （3）实现了不同材质水管内边界分别被视为第一类和第三类边界时的水管冷却计算程序，反演得出了周公宅拱坝塑料质PE水管边界被视为第三类边界时的“等效表面散热系数”，明确了“等效表面散热系数”与水管通水流量之间的相互关系，并对比分析了塑料质水管与铁管之间冷却效果的差异，从中获取了一些具有实际应用价值的结论和建议。 （4）分别从宏观和细观的角度实现了混凝土三维非线性、非稳定湿度及干缩应力场的仿真计算。在宏观计算理论中，认为高性能混凝土湿度及干缩应力计算时应考虑内部自干燥作用的影响；细观研究方面，混凝土被视为由骨料及砂浆组成的多相复合材料，研究混凝土湿度扩散及干缩特性时，必须考虑骨料与砂浆材料特性差异以及应力导致的损伤影响，最后实现了细观层次上混凝土湿度、干缩变形及干缩应力场与损伤场的耦合计算。 （5）引入改进加速遗传算法，对混凝土多参数反问题进行了反演计算识别。提出采用多重指数与双曲线的组合模型对混凝土的水化放热过程进行拟合，几个室内及实际工程反演计算结果表明，温度计算值与实测结果非常吻合。 （6）采用混凝土水管冷却三维非线性非稳定温度和应力的精细算法，对周公宅拱坝7#（岸坡坝段）和12#（河床坝段）两个典型坝段的水管冷却效果进行了仿真计算分析，提出了“变温冷却方案”以适用不同季节温控防裂的需要，总结了一套针对拱坝两类典型坝段行之有效的温控防裂方案，研究成果已经应用于指导该坝混凝土后期坝体的水管冷却布置和冷却方法与过程，且取得很好效果。 （7）采用现场试验与理论研究相结合的思路，对平原地区典型水工薄壁混凝土结构姜唐湖退水闸和曹娥江大闸两工程施工期混凝土的温度和应力进行了仿真计算。深入分析了此类“倒丁字形”混凝土结构出现“枣核形”裂缝的开裂机理，提出“表面保温+内部降温+表面养护”这一联合式防裂技术，实现了此类工程不出现或很少出现裂缝的防裂目标。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.2 水工混凝土温控与防裂方法研究进展
• 1.3 混凝土微观结构、湿度特性及干缩应力的研究进展
• 1.4 混凝土损伤力学、温度损伤及湿度扩散损伤研究进展
• 1.5 混凝土自生体积收缩研究进展
• 1.6 温度及湿度反问题研究进展
• 1.7 混凝土水管冷却研究进展
• 1.8 主要研究内容
• 第二章 混凝土温度和应力仿真计算理论与方法
• 2.1 混凝土非稳定温度场和应力场仿真计算基本理论
• 2.2 考虑自身温度影响的混凝土非稳定温度场和应力场仿真计算
• 2.3 考虑损伤影响的混凝土非稳定温度场和应力场仿真计算
• 2.4 考虑自身温度及损伤影响的混凝土温度和应力仿真计算的非均质层合单元法
• 2.5 三维非稳定温度场应力场仿真计算及程序编制
• 2.6 考虑铁管和塑料质水管冷却问题的三维有限元迭代求解
• 2.7 考虑自干燥影响的混凝土湿度及干缩应力仿真计算
• 2.8 混凝土温度场和湿度场的耦合分析
• 2.9 本章小结
• 第三章 基于细观损伤力学的混凝土湿度和干缩特性研究
• 3.1 混凝土细观结构模型研究及实现
• 3.1.1 二维多边形骨料的随机投放算法
• 3.1.2 随机骨料模型假定及网格剖分
• 3.2 基于细观损伤力学的混凝土湿度场及干缩特性研究
• 3.2.1 损伤的定义及损伤函数的确定
• 3.2.2 混凝土损伤与混凝土湿度扩散的相互关系及假定
• 3.2.3 混凝土湿度扩散及干缩应力多层次结构模型本构关系确定
• 3.3 考虑损伤作用的混凝土细观湿度扩散及干缩应力数值模拟分析
• 3.3.1 算例1-未考虑损伤作用时的混凝土宏观、细观湿度及干缩应力分析
• 3.3.2 算例2-考虑损伤作用时的混凝土细观湿度及干缩应力分析
• 3.4 本章小结
• 第四章 混凝土非绝热温升试验及反分析
• 4.1 混凝土工程温度场反演及施工反馈计算的基本模式
• 4.2 反分析问题的基本理论及算法
• 4.3 混凝土室内立方体块非绝热温升试验
• 4.4 掺有膨胀剂的混凝土体积变形试验
• 4.5 人工风速影响下的长方体混凝土室内试验
• 4.6 曹娥江大闸闸底板施工期铁质水管冷却现场试验
• 4.7 混凝土水化放热温度敏感性参数试验
• 4.8 本章小结
• 第五章 水工混凝土水管冷却布置型式优选及其防裂效果研究
• 5.1 概述
• 5.2 计算模型及参数
• 5.3 水管冷却布置型式优选方案及温控效果研究
• 5.4 铁质与塑料质水管冷却效果对比分析
• 5.5 本章小结
• 第六章 工程应用研究
• 6.1 混凝土温度、湿度场及温度与干缩应力计算分析在工程中的应用
• 6.2 水管冷却技术在软基大闸工程中的运用研究
• 6.3 考虑温度历程的水化放热模型在掺膨胀剂混凝土工程中的运用
• 6.4 本章小结
• 第七章 结论与展望
• 7.1 主要工作成果
• 7.2 主要创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 附录 作者在博士学习期间发表的主要论文及参与的科研项目
• 发表论文:
• 参与科研及项目
• 致谢