混凝土損傷理論在水工結構仿真分析中的運用

高劍飛

摘 要：混凝土作為建筑行業中常用的一類建材，其與水工建筑物之間形成緊密關系，當下不同規模混凝土大壩或其他類混凝土水工建筑物工程建設數目逐年增加，這也是水工結構學中混凝土研究內容繁多的主要原因之一。壩工項目在國內有大好的發展空間。但是近期與大壩工作狀態相關的調查報告顯示，當下國內遭受滅頂性破壞的混凝土壩超出200余座。加強混凝土損傷理論的研究分析，并實現對水工結構仿真設計，進而為混凝土大壩實體工程施工與改建等提供理論支撐。

關鍵詞：水工結構;混凝土;損傷理論;混凝土大白;仿真分析

中圖分類號：U655.56? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）07-0055-02

混凝土是現代建筑工程施工期間一種廣泛應用的材料，其破壞機理與破壞形態始終是材料科學、力學與工程技術領域中關注的焦點。國內外有大量實驗研究指出[1]，混凝土結構裂紋在不斷發展進程中，將會造成構件或結構出現斷裂破壞等問題。在宏觀裂縫形成之前，微缺陷在形成與發展期間，會在周邊形成一個“損傷區”，其將會對混凝土壽命造成直接影響，該種現象難以采用以往常用斷裂力學分析，此時損傷機理應時而生，本文主要分析其在水工結構仿真中的應用情況。

1混凝土損傷理論

從微觀的層面上分析，混凝土屬于一類多相復合材料，主要構成有粗骨料、細骨料以及水泥漿體等、以上物質的分布與結合狀態均體現出明顯的無規律性。針對混凝土的機理，國內外研究學者普遍認為是在混凝土澆筑、成形期間，毛細孔、空隙以及邊界裂隙等缺陷難以整體規避造成的[1]。在對損傷力學概念進行分析后，發現混凝土結構這種原生態缺陷實質上就是損傷的外在表現形式，一般會被稱之為初始損傷。原生態的質量缺陷或界面裂隙，隨著時間的推移，會發展成微裂紋、微裂紋區與宏觀裂縫，其可以被視為損傷疊加的結果。

總結以上分析內容后，發現混凝土在承受外力載荷或其他因素的作用，直至發展至結構破損的過程，等同于以初始損傷為基礎，發展、累積與斷裂交替出現的過程。故而，本次研究中采用損傷其闡述混凝土的破壞機理，利用能量損傷理論觀點去解讀結構損傷形成與發展期間囊括的規律，詮釋混凝土破壞機理的實質。與此同時，本文把混凝土破損期間微裂紋區形成、應變軟化效應、裂縫形成與拓展等現象，均設為損傷場內常見的力學行為，進而建設混凝土的應力應變全曲線、各類混凝土斷裂模型，均以損傷的角度去分析與研究。

2混凝土損傷定量分析

在由多種單一受力和復合受力構件組成的全曲線內，囊括了由開始受力直至破壞全生命周期的損傷信息。當下國內外在建設混凝土損傷模型的損傷演變方程均為形式。故而，可以由曲線內計算損傷度D，這提示全曲線是獲得混凝土損傷定量分析結果的理論基礎。

在對各單一受力與復合受力試件試驗研究過程中，能直接測得并記錄P—△全曲線，但其不是全曲線。為獲得復合受力狀態的P—△全曲線，同時建設其和帶有拉力、壓力、剪力、扭力等基本受力的P—△全曲線之間建設可比性關系，則對試件與加載形式提出“統一性”的要求[2]。

3工程概況

大壩工程是混凝土雙曲拱壩，大壩高程為117m，壩頂高程為777m，壩頂長度為335. 44m，共被劃分為18個壩段。中部8-11壩段的壩頂位置創設了三個泄洪孔，9、10兩壩段近底端分別開通一底孔。壩區內地質構造相對較簡單，巖石結構相對完整，斷裂構造停止發育，未產生深大斷裂通行，也無對組合構造形成不良影響的區段。大壩壩體澆筑期間采用了C20、C25常態混凝土，壩體上未設置中縫，采用通倉澆筑的模式。澆筑過程中應用水管冷卻，以實現對混凝土溫度的有效調控[3]。

4混凝土損傷理論在水工結構仿真分析

很多混凝土結構在建設期間體現出工程量大的特征，故而通常會經歷一個較漫長的施工過程，工程竣工后投運也是一個長期化進程。若混凝土大壩建設期間采用大體積混凝土結構，工程建設工期通常達到數年之久，經過蓄水期后會步入到更漫長的投運期。從損傷的視域出發進行分析，混凝土大壩在初期澆筑過程中，就有損傷發生。在漫長的施工期、蓄水期與投運期，大壩壩體損傷在橫向、縱向上均有拓展與累積，在多因素的作用下，其損傷場處于實時變化狀態中。

針對混凝土大壩的仿真分析，已經有較長的發展歷程，仿真分析多集中在溫度與溫度應力范疇中，當下已形成了相對完善、成熟的方法體系，但在以上指標分析過程中，均將混凝土結構視為處于無損狀態，這和現狀不符。

為實現對混凝土大壩損傷情況進行全面仿真計算，一定要將壩體混凝土澆筑作業視為起始點，同時依照工程施工三個階段進行，分別是施工期、蓄水期與投運期。

4.1施工期

在具體施工期間，伴隨工程建設工期的推進，壩體高程有持續上升的趨勢。在這一時期中，壩體承受的荷載以壩體自重為主，且載荷量持續上升，在環境溫度、壩體混凝土水化熱等多種因素的作用下，壩體混凝土溫度會產生較大變化。伴隨著時間的推移，混凝土水化熱會出現相應改變，而壩體混凝土澆筑作業持續性進行，此時壩體中形成的溫度場屬于不穩定型溫度場。與此同時，還會在壩體邊緣上還會形成與溫度變化相關的溫度邊界條件。對該種不穩定型溫度場進行分析，實質上就是溫度仿真分析問題，可在有限元模型的協助下實現精確化計算[4]。若壩體混凝土內形成的損傷對其熱學性能不產生影響，則可對損傷因素忽略不計。

在計算出不同時間點對應的溫度場后，可依據變溫指標測算出溫度應變，以實現對溫度應力的有效測算。因為混凝土壩體中溫度應力是伴隨溫度變化緩緩發展的，在以上過程中混凝土的徐變度與自體體積變形，對應力重分布過程會形成明顯的促進作用，外加壩體自重的作用、因此，在計算大壩施工期壩體應力場計算過程中，應綜合分析荷載量、溫度變化、徐變以自體體型改變等多種因素形成的影響。且需明確混凝土彈模、徐變度、形體改變、絕熱溫升等指標均是伴隨時間推移二變化的，可以被視為時間函數。在壩體各個部位，應依照齡期取值。計算損傷仿真，若在應力長進行計算，就一定要全面考慮損傷的因素。

4.2蓄水期

蓄水期屬于大壩施工期間的一個特殊階段，也是易發生故障的時間段。蓄水一般會在大壩工程竣工后或完工前就開始了。在一個相對較短的時間內蓄到預定水位的過程被統稱為蓄水期。在蓄水期上游面蓄水溫度臨界條件由氣溫轉變為水溫、或局部水溫、局部氣溫。且因為該時期緊隨施工期，或和施工期存在交叉點，故而其溫度依然屬于不穩定型溫度場[5]。應力場特征為上游面形成了緩慢上升的水壓力荷載，同時在多種氣候因素的作用下，氣溫高于上游面水溫低于氣溫，造成蓄水期間似乎在“冷擊”作用下而誘導出的溫度應力，而與該階段相對應的壩體結構損傷程度也不會嚴重化。

4.3投運期

在以往對壩體溫度仿真計算過程中，可以將投運期的壩體對應的溫度場視為穩定溫度場或準穩定溫度場，應力場也采用如上的計算方法。因此獲得的結論通常是壩體的最高溫度明顯低于施工期、蓄水期，對應的最大應力也通常較小[6]。但若綜合分析損傷因素，且壩體混凝土在施工期、蓄水期已出現損傷且損傷程度不斷累積，且多數損傷是不可逆的，此時若僅采用大壩工程投運期對應的應力場計算損傷，存在明顯的錯誤。因此在對混凝土大壩工程損傷程度仿真計算過程中，不能把工程項目投運期設為一個獨立的問題去分析，建議從蓄水期延續進行計算，以保證混凝土結構損傷發展過程的連貫性，但從本質上分析其依然屬于一個與不穩定型溫度場與應力場相關的計算問題，且其對應的時間步長有連續延展的趨勢。

5 結束語

綜觀全文，可見混凝土大壩損傷全仿真計算屬于一個連續進行的計算過程，設計不穩定型溫度場，并需全面分析荷載、溫變、徐變、自身形體變化等多個因素，在引力場計算期間一定要全面分析損傷程度及誘發損傷的各類因素，以保證仿真計算分析結果的精確性、有效性，為水工建筑體實體建設提供可靠的數據支持與理論指導。

參考文獻：

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[3]彭竹君，肖洋，王乾峰，彭剛.基于聲發射技術的凍融劣化混凝土單雙軸動態抗壓試驗[J].水電能源科學，2019，37（02）：131-134+94.

[4]周理，蘇益聲，江蘭.斜向往復荷載作用下方鋼管混凝土柱的抗震性能及損傷分析[J].土木工程與管理學報，2019，36（01）：48-54.

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[6]周正峰，蒲卓桁，唐基華.雙線性黏聚區模型在混凝土路面損傷開裂分析中的應用[J].交通運輸工程學報，2019，19（01）：17-23.