一种混凝土材料分区设计方法

文档序号:9810777阅读:553来源:国知局
一种混凝土材料分区设计方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及水工结构设计领域,特别是一种混凝土材料分区设计方法。
【背景技术】
[0002]混凝土作为一种常见的工程建筑材料,广泛应用于建筑、水利、交通和地下工程等领域,经过近百年的发展,已经拥有了许多不同强度等级,各种强度等级的混凝土在造价、材料性能等方面有其自身的特性。混凝土的抗拉强度仅为抗压强度的十分之一左右,是一种典型的脆性材料,在浇筑和使用过程中,容易因温度和外荷载所引起的拉应力拉裂,影响混凝土结构的安全和美观,因此混凝土的脆性容裂特性是制约其发展的一个很重要的因素。
[0003]材料分区设计主要理念是通过对结构合理分区,在不同分区部位使用不同强度等级的混凝土,以期用尽量少的建设费用,建设出满足结构安全和使用工程的混凝土结构。混凝土重力坝是一种依靠自身重力挡水的大体积混凝土结构,浇筑方量一般很大,譬如三峡大坝的混凝土饶筑方量超过2600万m3,对坝体进行合理的材料分区设计,有时甚至可以节约成百上千万的建设费用,工程经济效益不言而喻。众所周知,混凝土生产是一个高耗能、高污染的行业,在水利、土木等行业的大体积混凝土结构中推广混凝土材料分区设计技术,也有利于节约社会资源和减少环境污染。
[0004]目前混凝土重力坝的材料分区设计主要还是参考相关规范,这些规范更多地是基于大坝运行期的工作状态来考虑,忽略了施工过程中混凝土也会产生应力这一事实,给坝体安全带来隐患或造成社会资源的浪费。而对整个坝体或者坝段进行材料分区设计的研究,主要还是集中在通过数值计算核算几个方案,最后确定最佳方案,是一个半理论半经验的过程,过于依赖设计人员或科研人员的经验。

【发明内容】

[0005]本发明所要解决的技术问题是,针对现有技术不足,提供一种混凝土材料分区设计方法。
[0006]为解决上述技术问题,本发明所采用的技术方案是:一种混凝土材料分区设计方法,包括以下步骤:
1)统计分析工程区水文气象资料;结合混凝土重力坝施工现场的实际情况及规范基本要求,建立含各强度等级混凝土的材料库;
2)按已定的混凝土重力坝浇筑方案,划分有限元仿真计算的三维有限元仿真计算网格;
3)将步骤I)的水文气象资料和材料库作为有限元仿真计算的输入,初次有限元仿真计算时,将坝体单元赋值为最低强度等级的混凝土材料,进行混凝土重力坝浇筑全过程模拟,记录坝体单元内高斯点各时刻的拉应力情况;若某些坝体单元内高斯点拉应力超过了当前强度等级混凝土计入适当安全系数后的允许抗拉强度,则将这些坝体单元标识为开裂单元;
4)将标识为开裂单元的混凝土强度等级提高一级,重新对混凝土重力坝进行浇筑全过程模拟;
5)重复第4)步,直至没有开裂单元,或者所有坝体单元的混凝土强度等级已达到最高级别。
[0007]与现有技术相比,本发明所具有的有益效果为:本发明从混凝土裂缝控制机理入手,既考虑了工程造价,也保证了坝体结构的完整性。同时运用该方法确定出的材料分区方案,并不是从几个材料分区方案中挑选出来的,而是所有材料分区方案中的最佳方案,充分发挥了各种强度等级混凝土的防裂性能,在材料分区设计过程中考虑了筑坝全过程的坝内应力分布,并将现有温控技术效果也反馈到材料分区设计中,保证混凝土在全龄期内均不出现裂缝。
【附图说明】
[0008]图1是计算开始时的材料分区;
图2是计算结束时的材料分区;
图3是材料分区后的典型点温度过程线;
图4是材料分区后的典型点应力过程线;
图5是材料分区设计后的坝内最高温度包络图;
图6是材料分区设计后的坝内最大应力包络图。
【具体实施方式】
[0009]下面结合实例进一步说明本发明的实施步骤。
[0010]某混凝土重力坝坝高45m,底宽30m,坝址位于亚热带地区,气温季节变化明显,按照已定的施工进度计划,坝体混凝土开始浇筑时间初步定为10月I日,坝体施工采用3m饶筑层厚,层间间歇5d,坝体混凝土浇筑时采用通河水冷却20d的温控措施。
[0011](I)根据工程区水文气象部门统计数据,采用余弦函数拟合出每天的气温;
(2)该工程业主单位根据当地原材料的可选情况,试验了4种混凝土材料的热力学性能,按强度等级由低到高编号为I,II,III,IV,建立一个由该4种材料和其热力学参数组成的材料库,热力学参数应该包括弹性模量、强度、徐变、自身体积变形和绝热温升等;
(3)划分三维有限元计算网格,并将坝体部分的混凝土材料属性赋值为I,如图1所示;
(4)混凝土重力坝浇筑全过程模拟技术已经日臻成熟,利用该技术模拟第(3)步的坝内应力变化情况,在模拟过程中,对每一时步内高斯点最大主应力与该龄期混凝土强度对比,并将最大主应力超过了混凝土强度的所有坝体单元标识为开裂单元;
(5)将开裂单元的混凝土材料提升为II,利用材料分区设计程序重新计算,照此类推,直到混凝土强度等级满足坝内应力要求或坝内混凝土材料全部为IV,则计算结束。
[0012]最后一步三维有限元计算中的单元材料属性即为最佳的材料分区设计。
[0013]图2是利用上述步骤对实例进行计算的材料分区设计,取坝高16.5m处水平截面中心点为典型点,图3和图4分别是其材料分区设计后的温度和应力过程线,典型点的应力随着温度而变化,在龄期15d时达到最大值0.8MPa,其应力过程线未超过混凝土的强度曲线,因此混凝土不会开裂。图5是材料分区设计后的坝体中面最高温度包络图,可以用来控制在实际施工时的最高温度图,例如该实例中,约束区的最高温度可控制在33°C以内,而非约束区的最高温度可控制在31°C以内,图6是材料分区设计后的最大应力包络图,该图能反映坝内各点在该材料分区设计工况下的各点应力变化过程的最大应力,由该方法原理可以知道,在各时刻坝内的最大拉应力均未超过混凝土的允许抗拉强度。
[0014]使用本发明进行材料分区设计后,与原材料设计方案进行对比,不仅能减少了混凝土浇筑后的温控难度,而且能有效降低工程造价。
【主权项】
1.一种混凝土材料分区设计方法,其特征在于,包括以下步骤: 1)统计分析工程区水文气象资料;结合混凝土重力坝施工现场的实际情况及规范基本要求,建立含各强度等级混凝土的材料库; 2)按已定的混凝土重力坝浇筑方案,划分有限元仿真计算的三维有限元仿真计算网格; 3)将步骤I)的水文气象资料和材料库作为有限元仿真计算的输入,初次有限元仿真计算时,将坝体单元赋值为最低强度等级的混凝土材料,进行混凝土重力坝浇筑全过程模拟,记录坝体单元内高斯点各时刻的拉应力情况;若某些坝体单元内高斯点拉应力超过了当前强度等级混凝土计入适当安全系数后的允许抗拉强度,则将这些坝体单元标识为开裂单元; 4)将标识为开裂单元的混凝土强度等级提高一级,重新对混凝土重力坝进行浇筑全过程模拟; 5)重复第4)步,直至没有开裂单元,或者所有坝体单元的混凝土强度等级已达到最高级别。2.根据权利要求1所述的混凝土材料分区设计方法,其特征在于,所述材料库包括各强度等级混凝土热力学参数,所述热力学参数应该包括弹性模量、强度、徐变、自身体积变形和绝热温升。
【专利摘要】本发明公开了一种混凝土材料分区设计方法,统计分析工程区水文气象资料;建立含各强度等级混凝土的材料库;划分有限元仿真计算的三维有限元仿真计算网格;将坝体单元赋值为最低强度等级的混凝土材料,进行混凝土重力坝浇筑全过程模拟,记录坝体单元内高斯点各时刻的拉应力情况;若某些坝体单元内高斯点拉应力超过了当前强度等级混凝土计入适当安全系数后的允许抗拉强度,则将这些坝体单元标识为开裂单元;将标识为开裂单元的混凝土强度等级提高一级,重新对混凝土重力坝进行浇筑全过程模拟,当没有开裂单元,或者所有坝体单元的混凝土强度等级已达到最高级别时结束。本发明保证了坝体结构的完整性,充分发挥了各种强度等级混凝土的防裂性能。
【IPC分类】G06F17/50
【公开号】CN105574250
【申请号】CN201510928865
【发明人】朱优平, 石青青, 苏军安, 白治军
【申请人】中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2015年12月15日
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