CN110702886B - 一种反演大体积混凝土材料参数的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种反演大体积混凝土材料参数的方法，它包括以下步骤：(1)根据采集的实际工程的混凝土温度历程和位移历程，模拟真实的大体积混凝土温度过程；(2)对温控条件下的混凝土进行混凝土约束应力试验，获取约束应力测量值；(3)建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型并输入混凝土材料参数；(4)计算混凝土约束应力理论值；(5)校核混凝土约束应力理论值与测量值的差异；(6)判断差异是否≤设定值？如果差异≤设定值，则认定输入的大体积混凝土材料参数能够真实地反映实际浇筑后的大体积混凝土状态，作为大体积混凝土各项真实的材料参数；否则，调整混凝土各项输入材料参数，直至差异满足要求。

Description

一种反演大体积混凝土材料参数的方法

技术领域

本发明涉及一种反演大体积混凝土材料参数的方法，具体地说，本发明涉及一种将反映大体积混凝土真实工作状态的室内混凝土约束应力试验与根据混凝土约束应力试验推导出的反演大体积混凝土材料参数的数值计算模型相结合，分析反演出大体积混凝土材料参数的方法。

背景技术

众所周知，混凝土浇筑后会产生多种变形，例如由于水化反应产生的自生体积变形，由于水化热产生的温度变形，以及由于水分散失产生的干燥变形等，一旦这些变形受到外部结构的约束，混凝土会产生不可忽略的约束应力(拉应力)。由于混凝土材料本身多相的特性，混凝土在约束应力不高的状态下便会产生开裂，混凝土开裂对混凝土浇筑形成的整体结构的安全性会产生严重的影响。

特别是，对于大体积混凝土(例如大坝混凝土)而言，由于水化热引发的温度变形是影响大体积混凝土开裂的重要因素。当大体积混凝土的温度变形受到约束后，耦合其弹性模量、徐变等性质就会产生可观的约束应力(拉应力)，一旦约束应力超过大体积混凝土龄期的抗拉强度，大体积混凝土(如大坝混凝土)就会有开裂的风险。

为掌握当期大体积混凝土是否存在开裂风险，当前，人们对大体积混凝土开裂风险的预测方法主要采用数值计算的方法，即通过输入大体积混凝土材料参数计算得出大体积混凝土开裂风险系数。这种方法的弊端是：

1、忽视大体积混凝土的温变历程对浇筑后的混凝土整体结构的影响。

由于大体积混凝土的断面较厚，水化产生的热量难以及时散失，因此大体积混凝土内部温度历程与表面温度历程并不一致，而温度对混凝土材料参数(如弹性模量、线膨胀系数、徐变系数和抗拉强度)的发展具有重要影响。而当前，评价大体积混凝土开裂风险的数值仿真计算采用的混凝土材料参数全部来源于实验室内的恒温养护试验，由此得到的大体积混凝土材料参数与实际养护温度条件下的大体积混凝土的性质存在较大的差异，这势必会影响对大体积混凝土开裂风险的评估精准度。

2、忽视实际浇筑的大体积混凝土与设计阶段混凝土的工作/受力性态。

当前，评价大体积混凝土开裂风险的数值仿真计算的另一缺陷在于：忽视实际浇筑用混凝土在真实受力状态下的材料特性。例如，在长期受力条件下混凝土的抗拉强度会低于实验室内未损伤混凝土试件的测试值。

总之，由于目前实验室内测试的混凝土材料参数没有真实地反映当期大体积混凝土材料参数，再根据不准确的混凝土材料参数计算评价大体积混凝土开裂风险，其精准度必然大大降低。

发明内容

鉴于上述原因，本发明的目的是提供一种反演大体积混凝土材料参数的方法，该方法科学地分析反演出大体积混凝土的材料参数，为后续大体积混凝土开裂风险的评价提供科学准确的数据基础。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种反演大体积混凝土材料参数的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：测量并记录实际浇筑的大体积混凝土不同龄期的温度历程和位移历程；

S2：按照大体积混凝土的实际配比浇筑试验用混凝土试件，基于步骤S1测量的大体积混凝土的温度历程模拟真实的大体积混凝土温度历程；

S3：在温控条件下，根据大体积混凝土的温度历程和位移历程，对混凝土试件进行实验室内的混凝土约束应力试验，获得不同温度和龄期下混凝土约束应力测量值；

S4：通过仿真软件建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型并划分有限元网格；输入大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，以及各参数的增量值；输入大体积混凝土实测温度历程数据和位移历程数据；根据实测大体积混凝土位移历程计算出的约束度确定金属框架材料参数，并输入有限元分析计算模型中；

S5：根据步骤S4建立的有限元分析模型，和输入的混凝土材料参数及金属框架材料参数，计算不同温度和龄期下混凝土约束应力理论值P；

P＝∑ΔP

式中，[K_i]是混凝土的弹性矩阵；Δδ是混凝土的位移增量；

是由混凝土第i龄期外荷载引发的荷载增量；

是由混凝土第i龄期徐变引发的荷载增量；

是由混凝土第i龄期温度引发的荷载增量；

S6：校核混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω；

式中，Δ_i是第i个龄期混凝土约束应力理论值与混凝土约束应力测量值的差值，C_i是第i个龄期混凝土约束应力试验中约束应力测量值；M是总的龄期个数。

S7：如果变异系数ω≤设定值(建议取3％～7％之间的任一值)，则认定步骤S4输入的大体积混凝土材料参数能够真实地反应实际浇筑后的大体积混凝土状态，作为大体积混凝土各项真实的材料参数；

如果变异系数ω＞设定值，则调整输入的大体积混凝土材料参数，跳转执行步骤S4～步骤S6，重新计算大体积混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω，直至变异系数ω≤设定值为止。

由于本发明将反映大体积混凝土真实工作状态的室内混凝土约束应力试验与根据混凝土约束应力试验推导出的反演大体积混凝土材料参数的数值计算模型相结合；模拟真实的大体积混凝土温度历程和位移历程，在温控条件下通过室内混凝土约束应力试验获取混凝土约束应力测量值；通过数值计算模型计算出约束应力理论值，通过校核约束应力理论值和测量值的差异，分析出影响混凝土约束应力的大体积混凝土各项材料参数，反演获得反映施工期真实的大体积混凝土材料特性的材料参数。为后续大体积混凝土开裂风险预测提供精准的数据，大大提高施工期大体积混凝土开裂风险预测准确性。

附图说明

图1是本发明反演大体积混凝土材料参数的方法流程图；

图2是本发明建立的有限元分析计算模型；

图3A为本发明反演出的真实温度养护下大体积混凝土弹性模量曲线和传统实验室恒温养护下获得的大体积混凝土弹性模量曲线图；

图3B为本发明反演出的真实温度养护下大体积混凝土抗拉强度图和传统实验室恒温养护下获得的混凝土抗拉强度图。

图3C为根据本发明反演出的真实温度养护下大体积混凝土材料参数计算的混凝土应力历程，根据传统测试得出的材料参数计算的混凝土应力历程，以及混凝土应力历程测量值的对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的结构及特征进行详细说明。需要说明的是，可以对此处公开的实施例做出各种修改，因此，说明书中公开的实施例不应该视为对本发明的限制，而仅是作为实施例的范例，其目的是使本发明的特征显而易见。

本发明反演大体积混凝土材料参数的方法是：将反映大体积混凝土真实状态的室内混凝土约束应力试验与根据混凝土约束应力试验推导出的反演大体积混凝土材料参数的数值计算模型相结合，分析反演出大体积混凝土的材料参数，如图1所示，具体步骤如下：

S1：测量并记录实际浇筑的大体积混凝土不同龄期的温度历程和位移历程。

S2：按照大体积混凝土的实际配比浇筑试验用混凝土试件，基于步骤S1测量的大体积混凝土的温度历程模拟真实的大体积混凝土温度历程；

S3：在温控条件下，根据大体积混凝土的温度历程和位移历程，对混凝土试件进行实验室内的混凝土约束应力试验，获得不同温度和龄期下混凝土约束应力测量值。

在本发明具体实施例中，首先，按照大体积混凝土的实际配比，在实验室内采用完全相同的原材料将混凝土浇入专利号为ZL201610094440.7公开的混凝土温度应力试验设备中；然后，模拟真实的大体积混凝土温度历程，其温度数值与步骤S1采集的大体积混凝土施工现场实测温度值同步，保证大体积混凝土现场和实验室内混凝土具有完全一致的温度历程；最后，在温控条件下，根据大体积混凝土的位移历程，通过专利号为ZL201610094440.7公开的混凝土温度应力试验设备限制混凝土试件的变形，即当混凝土试件(模拟大体积混凝土)因温度产生变形后，混凝土温度应力试验设备中的电机施加荷载保证混凝土试件实时变形与现场实测的大体积混凝土位移历程一致，达到混凝土试件状态与实际工程浇筑的混凝土状态一致的目的，测量获得不同温度和龄期下混凝土的约束应力测量值。

S4：通过仿真软件建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型并划分有限元网格；输入大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，以及各参数的增量值；输入大体积混凝土实测温度历程数据和位移历程数据；根据实测大体积混凝土位移历程计算出的约束度确定的金属框架材料参数，并输入有限元分析计算模型中。

建立如图2所示的有限元分析计算模型，并向有限元分析计算模型内输入各种边界条件，方法如下：

S4.1：建立有限元分析计算模型

根据专利号为ZL201610094440.7公开的混凝土温度应力试验设备中金属框架和混凝土试件的尺寸，借助通用有限元分析软件建立等比例的混凝土温度应力试验设备数值模型，该模型包含金属框架和混凝土试件(模拟大体积混凝土)两部分。

S4.2：在有限元分析计算模型上划分出有限元网格

为提高数值计算精度，有限元分析计算模型中的金属框架1和混凝土试件2模型的网格尺寸应尽可能小，建议取5cm。

S4.3：向有限元分析计算模型内导入大体积混凝土的温度边界。

将步骤S1测量的实际浇筑的大体积混凝土的温度历程数据导入混凝土试件网格中；同时，将金属框架网格的温度设定为定值，可取20℃。

S4.4：向有限元分析计算模型内输入大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，以及各参数的增量值。

先确定大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，再将大体积混凝土材料参数下限值P₀作为初始值，导入有限元分析计算模型的混凝土试件网格中。

所述大体积混凝土材料参数包括大体积混凝土弹性模量、线膨胀系数、徐变系数和抗拉强度。

所述大体积混凝土材料参数中的弹性模量下限值P₀和上限值P₁分别取0.5和60，线膨胀系数下限值P₀和上限值P₁分别取4和15，徐变系数下限值P₀和上限值P₁分别取0.1和5，抗拉强度下限值P₀和上限值P₁分别取0.1和5。

后续调整计算时，弹性模量增量取0.5GPa，线膨胀系数增量取0.1με/℃、徐变系数增量取0.01με/MPa，抗拉强度增量取0.1MPa。

S4.5：根据实测大体积混凝土位移历程计算出的约束度确定金属框架材料参数，并输入有限元分析计算模型中。

根据步骤S1测量的实际浇筑的大体积混凝土的位移历程数据，采用公式(1)计算真实工况下大体积混凝土的约束度γ_R；

式中，E(t_i)是混凝土在t_i时刻的弹性模量，为步骤S4.4中的弹性模量数值；

是混凝土t_i时刻加载，在t_i+1/2时刻的徐变系数，为步骤S4.4中的徐变系数数值；ε(t_i+1/2)是实际工程中混凝土在t_i+1/2时刻的位移测量值；ε⁰(t_i+1/2，t₀)是实际工程中混凝土在t₀～t_i+1/2期间由温度历程产生的位移测量值。j＝1，2，…，i-1。

根据计算出的约束度γ_R按照公式(2)计算有限元分析计算模型中金属框架的弹性模量E_S(t_i)，目的是实现有限元分析计算模型中混凝土所承受的约束状态与实际工程一致

式中，E_S(t_i)是金属框架的弹性模量；Ac和As分别是ZL201610094440.7公开的混凝土温度应力试验设备中混凝土和金属框架的截面面积，Ac和As通过测量即可得到。

将公式(2)计算出的金属框架弹性模量导入有限元分析计算模型的金属框架网格中。

S5：根据步骤S4建立的有限元分析模型，和输入的混凝土材料参数及金属框架材料参数，计算不同温度和龄期下混凝土约束应力理论值P；

P＝∑ΔP (4)

式中，[K_i]是混凝土的弹性矩阵；Δδ是混凝土的位移增量；

是由混凝土第i龄期外荷载引发的荷载增量；

是由混凝土第i龄期徐变引发的荷载增量；

是由混凝土第i龄期温度引发的荷载增量；i是混凝土的龄期。

需要说明的是，

和

为本领域通用术语，其具体计算方法参见中国水利水电出版社出版的《大体积混凝土温度应力与温度控制》一书(页码：210—235)，在此不再赘述。

S6：校核混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω。

式中，Δ_i是第i个龄期混凝土约束应力理论值与混凝土温度应力试验中约束应力测量值的差值，C_i是第i个龄期混凝土温度应力试验中约束应力测量值；M是总的龄期个数。

S7：如果变异系数ω≤设定值(建议取3％～7％之间的任一值)，则认定步骤S4输入的大体积混凝土材料参数能够真实地反应实际浇筑后的大体积混凝土状态，作为大体积混凝土各项真实的材料参数；

如果变异系数ω＞设定值，则调整输入的大体积混凝土材料参数，跳转执行步骤S4～步骤S6，重新计算大体积混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω，直至变异系数ω≤设定值为止。

图3A为本发明反演出的真实温度养护下大体积混凝土弹性模量曲线与传统实验室恒温养护下获得的混凝土弹性模量曲线图；图3B中的“X”为本发明反演出的真实温度养护下大体积混凝土抗拉强度，图3B中的“_●”为传统实验室恒温养护下获得的混凝土抗拉强度。由图3A和图3B可以看出，本发明将反映大体积混凝土真实工作状态的室内混凝土约束应力试验与根据混凝土约束应力试验推导出的反演大体积混凝土材料参数的数值计算模型相结合反演得出的大体积混凝土材料参数不直接等同于传统实验室内实验得到的大体积混凝土材料参数。图3C是基于本发明反演出的大体积混凝土材料参数(图3A和图3B)得到的约束应力理论值，传统实验室内获取参数计算出的约束应力理论值，以及应力试验测量值的对比图。由图3C可以看出，本发明反演出的大体积混凝土材料参数更真实，由此计算出的约束应力值更贴近约束应力测量值。

将本发明反演出的大体积混凝土材料参数应用于后续的大体积混凝土结构施工期和运行期开裂风险预测，其开裂风险预测结果更精准、科学！为混凝土的防裂设计提供可靠的参考。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (4)

1.一种反演大体积混凝土材料参数的方法，其特征在于：它包括如下步骤：

S1：测量并记录实际浇筑的大体积混凝土不同龄期的温度历程和位移历程；

S2：按照大体积混凝土的实际配比浇筑试验用混凝土试件，基于步骤S1测量的大体积混凝土的温度历程模拟真实的大体积混凝土温度历程；

S3：在温控条件下，根据大体积混凝土的温度历程和位移历程，对混凝土试件进行实验室内的混凝土约束应力试验，获得不同温度和龄期下混凝土约束应力测量值；

S4：通过仿真软件建立与混凝土温度应力试验设备尺寸一致的有限元分析计算模型并划分有限元网格；输入大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，以及各参数的增量值；输入大体积混凝土实测温度历程数据和位移历程数据；根据实测大体积混凝土位移历程计算出的约束度确定金属框架材料参数，并输入有限元分析计算模型中；

S5：根据步骤S4建立的有限元分析模型，和输入的混凝土材料参数及金属框架材料参数，计算不同温度和龄期下混凝土约束应力理论值P；

ΔP＝[K_i]{Δδ}＝{ΔP_i ^G}+{ΔP_i ^C}+{ΔP_i ^T}

P＝∑ΔP

式中，[K_i]是混凝土的弹性矩阵；Δδ是混凝土的位移增量；ΔP_i ^G是由混凝土第i龄期外荷载引发的荷载增量；ΔP_i ^C是由混凝土第i龄期徐变引发的荷载增量；ΔP_i ^T是由混凝土第i龄期温度引发的荷载增量；

S6：校核混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω；

式中，Δ_i是第i个龄期混凝土约束应力理论值与混凝土约束应力测量值的差值，C_i是第i个龄期混凝土约束应力试验中约束应力测量值；M是总的龄期个数；

S7：如果变异系数ω≤设定值，则认定步骤S4输入的大体积混凝土材料参数能够真实地反应实际浇筑后的大体积混凝土状态，作为大体积混凝土各项真实的材料参数；

如果变异系数ω＞设定值，则调整输入的大体积混凝土材料参数，跳转执行步骤S4～步骤S6，重新计算大体积混凝土约束应力理论值与测量值的变异系数ω，直至变异系数ω≤设定值为止。

2.根据权利要求1所述的反演大体积混凝土材料参数的方法，其特征在于：所述步骤S4的具体方法如下：

S4.1：建立有限元分析计算模型

借助通用有限元分析软件建立等比例的混凝土温度应力试验设备数值模型，该模型包含金属框架和混凝土试件两部分；

S4.2：在有限元分析计算模型上划分出有限元网格

所述有限元分析计算模型中的金属框架和混凝土试件模型的网格尺寸≤5cm；

S4.3：向有限元分析计算模型内导入大体积混凝土的温度边界

将步骤S1测量的实际浇筑的大体积混凝土的温度历程数据导入混凝土试件网格中；将金属框架网格的温度设定为定值；

S4.4：向有限元分析计算模型内输入大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，以及各参数的增量值

先确定大体积混凝土材料各参数的下限值P₀和上限值P₁，再将大体积混凝土材料参数下限值P₀作为初始值，导入有限元分析计算模型的混凝土试件网格中；

所述大体积混凝土材料参数包括大体积混凝土弹性模量、线膨胀系数、徐变系数和抗拉强度；

S4.5：根据实测大体积混凝土位移历程计算出的约束度确定的金属框架材料参数，并输入有限元分析计算模型中

根据步骤S1测量的实际浇筑的大体积混凝土的位移历程数据，计算真实工况下大体积混凝土的约束度γ_R

式中，E(t_i)是混凝土在t_i时刻的弹性模量，为步骤S4.4中的弹性模量数值；

是混凝土t_i时刻加载，在t_i+1/2时刻的徐变系数，为步骤S4.4中的徐变系数数值；ε(t_i+1/2)是实际工程中混凝土在t_i+1/2时刻的位移测量值；ε⁰(t_i+1/2，t₀)是实际工程中混凝土在t₀～t_i+1/2期间由温度历程产生的位移测量值；j＝1，2，…，i-1；

根据计算出的约束度γ_R计算有限元分析计算模型中金属框架的弹性模量E_s(ti)；

式中，E_s(t_i)是金属框架的弹性模量；Ac和As分别是混凝土温度应力试验设备中混凝土和金属框架的截面面积，Ac和As通过测量即可得到。

3.根据权利要求2所述的反演大体积混凝土材料参数的方法，其特征在于：所述大体积混凝土材料参数中的弹性模量下限值P₀和上限值P₁分别取0.5和60，线膨胀系数下限值P₀和上限值P₁分别取4和15，徐变系数下限值P₀和上限值P₁分别取0.1和5，抗拉强度下限值P₀和上限值P₁分别取0.1和5；

后续调整计算时，弹性模量增量取0.5GPa，线膨胀系数增量取0.1με/℃、徐变系数增量取0.01με/MPa，抗拉强度增量取0.1MPa。

4.根据权利要求1或2所述的反演大体积混凝土材料参数的方法，其特征在于：所述步骤S7中的设定值为3％～7％之间的任一值。

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