混凝土损伤理论在水工结构仿真分析中的运用

GXF360 2019-09-15

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混凝土是现代建筑工程施工期间一种广泛应用的材料，其破坏机理与破坏形态始终是材料科学、力学与工程技术领域中关注的焦点。国内外有大量实验研究指出[1]，混凝土结构裂纹在不断发展进程中，将会造成构件或结构出现断裂破坏等问题。在宏观裂缝形成之前，微缺陷在形成与发展期间，会在周边形成一个“损伤区”，其将会对混凝土寿命造成直接影响，该种现象难以采用以往常用断裂力学分析，此时损伤机理应时而生，本文主要分析其在水工结构仿真中的应用情况。

1 混凝土损伤理论

从微观的层面上分析，混凝土属于一类多相复合材料，主要构成有粗骨料、细骨料以及水泥浆体等、以上物质的分布与结合状态均体现出明显的无规律性。针对混凝土的机理，国内外研究学者普遍认为是在混凝土浇筑、成形期间，毛细孔、空隙以及边界裂隙等缺陷难以整体规避造成的[1]。在对损伤力学概念进行分析后，发现混凝土结构这种原生态缺陷实质上就是损伤的外在表现形式，一般会被称之为初始损伤。原生态的质量缺陷或界面裂隙，随着时间的推移，会发展成微裂纹、微裂纹区与宏观裂缝，其可以被视为损伤叠加的结果。

总结以上分析内容后，发现混凝土在承受外力载荷或其他因素的作用，直至发展至结构破损的过程，等同于以初始损伤为基础，发展、累积与断裂交替出现的过程。故而，本次研究中采用损伤其阐述混凝土的破坏机理，利用能量损伤理论观点去解读结构损伤形成与发展期间囊括的规律，诠释混凝土破坏机理的实质。与此同时，本文把混凝土破损期间微裂纹区形成、应变软化效应、裂缝形成与拓展等现象，均设为损伤场内常见的力学行为，进而建设混凝土的应力应变全曲线、各类混凝土断裂模型，均以损伤的角度去分析与研究。

2 混凝土损伤定量分析

在由多种单一受力和复合受力构件组成的εσ-全曲线内，囊括了由开始受力直至破坏全生命周期的损伤信息。当下国内外在建设混凝土损伤模型的损伤演变方程均为D=f(ε)形式。故而，可以由σ-ε曲线内计算损伤度D，这提示εσ-全曲线是获得混凝土损伤定量分析结果的理论基础。

在对各单一受力与复合受力试件试验研究过程中，能直接测得并记录P—△全曲线，但其不是εσ-全曲线。为获得复合受力状态的P—△全曲线，同时建设其和带有拉力、压力、剪力、扭力等基本受力的P—△全曲线之间建设可比性关系，则对试件与加载形式提出“统一性”的要求[2]。

3 工程概况

大坝工程是混凝土双曲拱坝，大坝高程为117m，坝顶高程为777m，坝顶长度为335. 44m，共被划分为18个坝段。中部8-11坝段的坝顶位置创设了三个泄洪孔，9、10两坝段近底端分别开通一底孔。坝区内陆质构造相对较简单，岩石结构相对完整，断裂构造停止发育，未产生深大断裂通行，也无对组合构造形成不良影响的区段。大坝坝体浇筑期间采用了C20、C25常态混凝土，坝体上未设置中缝，采用通仓浇筑的模式。浇筑过程中应用水管冷却，以实现对混凝土温度的有效调控[3]。

4 混凝土损伤理论在水工结构仿真分析

很多混凝土结构在建设期间体现出工程量大的特征，故而通常会经历一个较漫长的施工过程，工程竣工后投运也是一个长期化进程。若混凝土大坝建设期间采用大体积混凝土结构，工程建设工期通常达到数年之久，经过蓄水期后会步入到更漫长的投运期。从损伤的视域出发进行分析，混凝土大坝在初期浇筑过程中，就有损伤发生。在漫长的施工期、蓄水期与投运期，大坝坝体损伤在横向、纵向上均有拓展与累积，在多因素的作用下，其损伤场处于实时变化状态中。

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针对混凝土大坝的仿真分析，已经有较长的发展历程，仿真分析多集中在温度与温度应力范畴中，当下已形成了相对完善、成熟的方法体系，但在以上指标分析过程中，均将混凝土结构视为处于无损状态，这和现状不符。

为实现对混凝土大坝损伤情况进行全面仿真计算，一定要将坝体混凝土浇筑作业视为起始点，同时依照工程施工三个阶段进行，分别是施工期、蓄水期与投运期。

公元一三七〇年，纳哈出被北元割据政权封为太尉，拥兵二十余万，分成三营，一营驻扎饮马河，二营驻扎榆林，三营驻扎养鹅庄，自己坐镇金山，时常侵扰辽南，意欲卷土重来。为扫清一统东北的最后障碍，一三八七年农历正月，朱元璋命大将军冯胜统军二十万北征，兵锋直抵纳哈出老巢。纳哈出兵败请降，东北遂平。冯胜携纳哈出由北至南来到饮马河，正式收服残卒两万多人，战马数千匹，战车四万多辆。名将常遇春后人也随大军出征，其中一支便留在饮马河流域，逐渐被同化为汉族。如今，九台境内的常姓汉族人，多是常遇春后裔。

皂土悬浮液：称取10 g皂土，加入100 mL蒸馏水在60℃水浴中膨胀，浸泡24 h，使用前搅拌成均匀的浆体[25]。

4.1 施工期

在具体施工期间，伴随工程建设工期的推进，坝体高程有持续上升的趋势。在这一时期中，坝体承受的荷载以坝体自重为主，且载荷量持续上升，在环境温度、坝体混凝土水化热等多种因素的作用下，坝体混凝土温度会产生较大变化。伴随着时间的推移，混凝土水化热会出现相应改变，而坝体混凝土浇筑作业持续性进行，此时坝体中形成的温度场属于不稳定型温度场。与此同时，还会在坝体边缘上还会形成与温度变化相关的温度边界条件。对该种不稳定型温度场进行分析，实质上就是温度仿真分析问题，可在有限元模型的协助下实现精确化计算[4]。若坝体混凝土内形成的损伤对其热学性能不产生影响，则可对损伤因素忽略不计。

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在计算出不同时间点对应的温度场后，可依据变温指标测算出温度应变，以实现对温度应力的有效测算。因为混凝土坝体中温度应力是伴随温度变化缓缓发展的，在以上过程中混凝土的徐变度与自体体积变形，对应力重分布过程会形成明显的促进作用，外加坝体自重的作用、因此，在计算大坝施工期坝体应力场计算过程中，应综合分析荷载量、温度变化、徐变以自体体型改变等多种因素形成的影响。且需明确混凝土弹模、徐变度、形体改变、绝热温升等指标均是伴随时间推移二变化的，可以被视为时间函数。在坝体各个部位，应依照龄期取值。计算损伤仿真，若在应力长进行计算，就一定要全面考虑损伤的因素。

4.2 蓄水期

蓄水期属于大坝施工期间的一个特殊阶段，也是易发生故障的时间段。蓄水一般会在大坝工程竣工后或完工前就开始了。在一个相对较短的时间内蓄到预定水位的过程被统称为蓄水期。在蓄水期上游面蓄水温度临界条件由气温转变为水温、或局部水温、局部气温。且因为该时期紧随施工期，或和施工期存在交叉点，故而其温度依然属于不稳定型温度场[5]。应力场特征为上游面形成了缓慢上升的水压力荷载，同时在多种气候因素的作用下，气温高于上游面水温低于气温，造成蓄水期间似乎在“冷击”作用下而诱导出的温度应力，而与该阶段相对应的坝体结构损伤程度也不会严重化。

4.3 投运期

在以往对坝体温度仿真计算过程中，可以将投运期的坝体对应的温度场视为稳定温度场或准稳定温度场，应力场也采用如上的计算方法。因此获得的结论通常是坝体的最高温度明显低于施工期、蓄水期，对应的最大应力也通常较小[6]。但若综合分析损伤因素，且坝体混凝土在施工期、蓄水期已出现损伤且损伤程度不断累积，且多数损伤是不可逆的，此时若仅采用大坝工程投运期对应的应力场计算损伤，存在明显的错误。因此在对混凝土大坝工程损伤程度仿真计算过程中，不能把工程项目投运期设为一个独立的问题去分析，建议从蓄水期延续进行计算，以保证混凝土结构损伤发展过程的连贯性，但从本质上分析其依然属于一个与不稳定型温度场与应力场相关的计算问题，且其对应的时间步长有连续延展的趋势。