单元生长技术及其在碾压混凝土模拟施工中的应用

论文摘要

碾压混凝土(简称 RCC)施工期温度场和应力场的动态过程模拟对施工过程质量控制具有重要的意义。RCC 结构为薄层碾压施工,各碾压层因龄期不同而存在材料属性差异,由于层合单元可以包含多个碾压层,对 RCC 结构进行数值模拟可以有效减小计算规模。但是层合单元存在积分方法复杂、形函数无法反映材料参数差别引起的变形、不能模拟 RCC 结构施工过程等诸多问题。本文根据层合单元的分层特点,提出分层积分方法。该方法沿层厚方向的积分点位于每层中间,权函数为相对厚度;对每层材料积分时都以层合单元为母元,避免了高斯积分方法以单层材料为母元的复杂处理。针对层合单元内各层材料力学性质相差较大和单元的变形特点,提出层合单元位移插值函数的修正算法。修正的单元形函数采用连续函数或分段函数,可以解决常规双线性插值函数在描述单元变形时无法考虑各层材料参数差异带来影响的问题,减小线性变形取代沿层厚方向的折线变形引起计算误差。修正形函数可以解决单元内不同材料由于力学性质相差较大引起的误差扩散问题。数值算例表明,修正算法比常规层合单元的计算精度高。在层合单元的基础上,提出连接单元、连接层合单元以及生长单元等构成模拟 RCC 施工过程的生长连接模型。生长单元包含多层材料,减少单元和节点总数,在模拟薄层碾压施工中无需并层计算;连接单元和连接层合单元可以解决新浇混凝土与岩石以及不同进度相邻浇筑块之间的单元连接问题,为计算域提供了单元由密到稀的平稳过渡。计算中采用搜索替换和自动添加技术处理散热边界和节点荷载。利用生长连接模型对 RCC 施工过程仿真计算表明,该模型可以提高计算效率而不降低计算精度,具有重要的工程应用价值。应用上述算法和模型对龙滩碾压混凝土坝右岸挡水坝段进行施工期温度场和应力场仿真分析。根据坝体施工期温度场和应力场的分布和变化规律,从效益的角度考虑,得出夏季混凝土浇筑温度不宜过低的结论;指出基础垫层和上游坝表防渗体应力过大的问题,将导致纵向裂缝和劈头裂缝的产生,提出相应预防措施。计算成果可供龙滩电站和其它类似工程浇筑施工及温控防裂作参考。

论文目录

• 第1章 绪论
• 1.1 问题的提出
• 1.1.1 混凝土温变效应引起的裂缝
• 1.1.2 碾压混凝土筑坝技术的特点
• 1.1.3 碾压混凝土坝仿真分析的难度
• 1.2 碾压混凝土坝仿真分析技术
• 1.2.1 多层材料并层技术
• 1.2.2 分区异步长算法
• 1.2.3 新老混凝土的连接处理
• 1.3 本文的研究目的
• 1.4 本文的主要工作
• 第2章 层合单元及其修正算法
• 2.1 层合单元
• 2.1.1 位移模型
• 2.1.2 积分方法
• 2.2 层合单元存在的问题
• 2.2.1 积分问题
• 2.2.2 变形特点引起的问题
• 2.3 层合单元的修正算法
• 2.3.1 求解形函数在各层材料分界点的取值
• 2.3.2 连续函数法修正插值函数
• 2.3.3 分段函数法修正插值函数
• 2.4 算例
• 2.5 小结
• 第3章 生长连接模型
• 3.1 生长单元（Growing Element）
• 3.1.1 生长单元
• 3.1.2 生长单元的特性
• 3.2 连接单元（Joint Element）
• 3.2.1 连接单元的特点
• 3.2.2 连接单元的形函数
• 3.2.3 连接单元弹性力学问题的一般格式
• 3.3 连接层合单元（Joint-laminated Element）
• 3.4 生长连接模型（Growing-joint Model）
• 3.4.1 生长连接模型
• 3.4.2 生长连接模型存在的问题
• 3.5 算例
• 3.6 小结
• 第4章 RCC 结构施工期温度仿真分析
• 4.1 计算温度场的有限元方法
• 4.1.1 热传导方程、初始条件和边界条件
• 4.1.2 有限元法计算温度场的基本原理
• 4.2 四节点等参元的温度场求解
• 4.2.1 单元热传导矩阵求解
• 4.2.2 其它积分量的求解
• 4.3 层合单元的温度求解
• 4.4 生长连接模型的温度求解
• 4.4.1 连接单元的温度求解形式
• 4.4.2 连接层合单元的温度求解形式
• 4.5 散热边界的搜索替换和自动添加技术
• 4.6 算例
• 4.7 小结
• 第5章 混凝土结构的温变效应分析
• 5.1 结构弹性徐变应力的求解
• 5.2 施工期结构应力的仿真分析
• 5.2.1 求解位移增量
• 5.2.2 求解应力增量
• 5.3 算例
• 5.4 小结
• 第6章 龙滩碾压混凝土坝右岸挡水坝段仿真分析
• 6.1 计算条件及基本参数
• 6.1.1 基本材料参数
• 6.1.2 计算模型
• 6.1.3 边界条件及初始条件
• 6.1.4 基本荷载条件
• 6.1.5 计算工况
• 6.2 准稳定温度场计算
• 6.3 夏季不同浇筑温度时的温度场计算
• 6.3.1 施工期的最高温度
• 6.3.2 典型高程平面内温度比较
• 6.3.3 坝体施工期温度分布规律
• 6.4 温度徐变应力计算
• 6.4.1 混凝土坝温度控制允许拉应力计算
• 6.4.2 基础垫层的温度应力
• 6.4.3 施工期坝体最大温度应力
• 6.4.4 典型高程温度应力随时间变化的情况
• 6.5 小结
• 第7章 结论与展望
• 7.1 结论
• 7.2 展望
• 参考文献
• 致谢与声明
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果