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《河海大学》 2002年
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水工混凝土温度与防裂技术研究

刘勇军  
【摘要】: 本文就水工混凝土的温度与裂缝控制问题,从理论上和实践上进行了较为系统深入地研究,解决了实际应用的一些难点问题,主要成果如下: 1.实现了用非均质单元并层的方法,编制了大型非稳定温度场和徐变应力场的三维有限元计算分析程序,运用此程序可实现包括水闸、地涵、常态混凝土重力坝、高碾压混凝土重力坝和拱坝等复杂水工结构温度场和徐变应力场的计算。针对周宁碾压混凝土坝进行了温控防裂计算,取得了良好的效果。 2.提出了温度多参数的立方体试验,在理论上证明了此方法的有效性,并通过具体试验进行了验证。应用此法可大幅度降低温度参数的试验费用,而且所测得的参数更符合实际。 3.从混凝土水泥水化的物理化学机理出发,应用反应动力学和扩散理论,成功地推导了混凝土水化和自身温度之间的关系公式—新的时间等效模型。对水化公式进行了试验验证,并成功地应用于目前亚洲最大的立交地涵—淮河入海水道淮安立交地涵工程的温控防裂研究中,实现了在大型水利工程建设的施工期内不出现一条肉眼可辨的结构性裂缝的防裂目标。 4.首次提出并实现了应用Monte Carlo法对混凝土表面散热系数的随机模拟,根据对表面散热系数影响较大的实测风速中找到了描述其分布的函数—波尔兹曼分布,并应用于温度场应力场的计算中,使对温度场应力场的预测更为科学。 5.对混凝土的非线性热传导问题进行了探讨,初步建立了混凝土非线性的有限元算法,编制了有限元计算程序,并成功运用于淮河入海水道二河新闸的温控防裂研究中,同样取得了在工程中不出现一条结构性裂缝的可喜成果。 6.提出了可同时考虑弯管和表面散热影响的水管冷却三维模拟计算方法,实现了旨在减小计算工作规模的水管冷却子结构法,首次提出并应用了水管冷却计算的“部分自适应单元精度法”和“自生自灭单元法”,使冷却水管的精确算法在大型工程的应用成为可能。通过在世界上最大的碾压混凝土坝—龙滩碾压混凝土坝的水管冷却计算,证明了其高效性和实用性。 7.实现了非稳定三维湿度场、干缩应力场的仿真计算,并根据湿度场的计算值实现了混凝土的干缩及干缩应力计算,使混凝土的干缩计算进入了实用化。通过三维湿度场和干缩应力场在石梁河水库新泄洪闸闸墩裂缝成因机理和防治措施研究中的应用,成功地解释了其裂缝发生发展的根本原因。 8.建立了应用温度现场观测资料进行反分析以获取温度计算参数和修正计算模型的机制,在实际工程中得到了掺加缓凝剂的绝热温升模型,应用效果良好。 9.在淮河入海水道淮安立交地涵和二河新闸混凝土温控与防裂研究中,提出了“多方案论证—优化方案—施工及观测—正反分析—指导下一步施工”的科研思路,并在这两 个工程中获得了成功。 10.首次提出了设置缓冲层进行防裂的新的温控措施,计算表明此法具有极好的防裂效果。 11.针对倒了字形结构的各种温控与防裂措施进行了深入地量化对比分析,指出了各种防 裂措施的防裂效果,总结了一套行之有效的针对倒了字形结构的防裂措施。
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