混凝土熱-化學(xué)-損傷耦合模型與高壩堿骨料反應(yīng)開裂研究

堿骨料反應(yīng)是損害大壩混凝土耐久性的主要原因之一，其表現(xiàn)為骨料所含的堿活性物質(zhì)與水泥砂漿中的堿溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物吸水膨脹，導(dǎo)致混凝土骨料和砂漿開裂，從而造成結(jié)構(gòu)穩(wěn)定安全性受到損害。堿骨料反應(yīng)一般持續(xù)數(shù)年，乃至數(shù)十年，對混凝土結(jié)構(gòu)的危害是長久的。隨著我國混凝土壩不斷投入服役運(yùn)行，在未來的30~50年，這些混凝土壩存在遭受堿骨料反應(yīng)危害的風(fēng)險。另外，我國很多高壩建于西南高地震烈度區(qū)，其服役生命周期內(nèi)，極有可能遭受地震的考驗(yàn)。因此，混凝土壩長期服役堿骨料反應(yīng)危害，以及受損混凝土壩抗震安全性問題，亟待進(jìn)行深入的研究。本項(xiàng)目建立了混凝土細(xì)觀堿骨料反應(yīng)模型，研究了混凝土堿骨料反應(yīng)引起材料細(xì)觀損傷演化過程，揭示了堿骨料反應(yīng)的膨脹機(jī)制及其引起混凝土材料劣化的機(jī)理，建立了堿骨料反應(yīng)造成混凝土力學(xué)性能降低與堿骨料反應(yīng)程度的關(guān)系，搭建了細(xì)觀與宏觀材料堿骨料反應(yīng)損傷演化之間的橋梁；基于細(xì)觀分析結(jié)果，建立了化學(xué)、力、熱多場耦合的混凝土壩全生命周期細(xì)宏觀跨尺度熱-化學(xué)-損傷模型，分析和預(yù)測了堿骨料反應(yīng)作用下混凝土壩長期服役的工作性態(tài)；建立了堿骨料反應(yīng)混凝土壩長期性態(tài)和瞬態(tài)抗震分析統(tǒng)一模型，研究了老化混凝土壩的抗震安全性。該項(xiàng)目研究成果極大地促進(jìn)了混凝土堿骨料反應(yīng)與大壩長期服役老化研究理論水平的提高，加深了對混凝土堿骨料反應(yīng)劣化機(jī)理和老化大壩服役工作性能的認(rèn)識。 2100433B

堿骨料反應(yīng)是損害大壩混凝土耐久性的主要原因之一，其表現(xiàn)為骨料所含的堿活性物質(zhì)與水泥砂漿中的堿溶液發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)物吸水膨脹，導(dǎo)致混凝土骨料和砂漿開裂。在未來的幾十年內(nèi)，我國混凝土壩存在堿骨料反應(yīng)的風(fēng)險。另外，我國很多高壩建于高地震烈度區(qū)。因此，需建立有效的數(shù)值模型分析和預(yù)測混凝土壩因堿骨料反應(yīng)引起的變形與開裂，并校核其抗震安全性。.本項(xiàng)目擬研究溫度場、化學(xué)反應(yīng)過程、應(yīng)力場的耦合問題，建立分析宏觀結(jié)構(gòu)堿骨料反應(yīng)膨脹和開裂的混凝土熱-化學(xué)-損傷耦合模型；基于顆粒離散元細(xì)觀模型研究堿骨料反應(yīng)過程材料力學(xué)參數(shù)退化與各向異性膨脹機(jī)制，為宏觀模型提供可靠的材料參數(shù)，為結(jié)構(gòu)提供各向異性變形準(zhǔn)則；在拱壩系統(tǒng)抗震分析模型中引入熱-化學(xué)-損傷耦合模型形成拱壩長期堿骨料反應(yīng)與地震響應(yīng)的統(tǒng)一分析模型。成果可用于遭受堿骨料反應(yīng)病害的混凝土壩膨脹變形和損傷破壞的分析與長期預(yù)測，評價其運(yùn)行過程中各階段的抗震穩(wěn)定性。

作為我國超高壩的主要壩型，高拱壩具有良好的超載能力及經(jīng)濟(jì)性，但同時其安全性也因高壩、大庫容、復(fù)雜環(huán)境條件等因素的影響而備受關(guān)注。為提高高拱壩健康監(jiān)測水平，研究準(zhǔn)確高效的損傷識別算法是目前的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，本研究擬在考慮材料參數(shù)、外界作用及測量數(shù)據(jù)不確定性的情況下，建立適于高拱壩損傷識別的模型修正方法。主要內(nèi)容有：（1）采用模糊變量描述復(fù)雜高拱壩結(jié)構(gòu)的不確定性，針對高拱壩損傷特點(diǎn)，研究結(jié)合正則化過程的模糊模型修正方法，從修正參數(shù)隸屬函數(shù)提取結(jié)構(gòu)損傷指標(biāo)；（2）充分利用高壩長期監(jiān)測系統(tǒng)，以大壩變形等結(jié)構(gòu)響應(yīng)的長期時間序列為輸入數(shù)據(jù)，建立卡爾曼濾波框架下的遞推型修正算法；同時考慮溫度場分布等時變模糊因素的影響，采用模糊擴(kuò)展卡爾曼濾波方法進(jìn)行高拱壩損傷識別。本研究將從數(shù)值模擬、模型實(shí)驗(yàn)及原型觀測等方面分析、驗(yàn)證損傷識別方法的可靠性，為高拱壩運(yùn)行期間的在線監(jiān)測、安全評價等提供理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。

混凝土材料自身收縮變形引起的混凝土裂縫占較大比例，穩(wěn)定的體積變形是高強(qiáng)高性能混凝土或中低強(qiáng)度混凝土高性能化的重要標(biāo)志之一。混凝土的收縮開裂問題難以解決的原因之一在于未能抓住“服役期混凝土在環(huán)境溫濕度及結(jié)構(gòu)荷載耦合作用下的類疲勞損傷效應(yīng)”這一解決混凝土結(jié)構(gòu)實(shí)際使用環(huán)境條件下混凝土變形開裂的本質(zhì)問題。本項(xiàng)目旨在開展混凝土材料的濕熱耦合變形開裂研究，揭示周期性溫濕度作用下混凝土材料變形開裂機(jī)理。圍繞周期性溫濕度作用下混凝土濕熱耦合變形開裂，在已有研究成果基礎(chǔ)上，著重開展了混凝土濕熱傳輸、溫濕度場、溫濕度應(yīng)力、濕熱耦合變形和濕熱應(yīng)力疲勞損傷演化基本理論和計算模擬的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，主要包括：基于多孔介質(zhì)濕熱傳輸原理的混凝土濕熱傳輸模型；溫濕度耦合作用下混凝土濕熱傳輸原理及耦合模型；周期性溫濕度作用下混凝土濕熱耦合傳輸及變形數(shù)值模擬；周期性溫濕度作用下的混凝土濕熱合變形及材料損傷演化理論初步研究；混凝土在周期性溫濕度作用下的開裂過程、機(jī)理的初步研究。預(yù)期計劃中的試驗(yàn)部分未能全部完成，隨著項(xiàng)目研究的深入和試驗(yàn)條件等的改善，將繼續(xù)開展相關(guān)研究，以期取得系統(tǒng)全面的研究結(jié)果。當(dāng)前相關(guān)研究的主要結(jié)果如下： （1）根據(jù)水泥石內(nèi)部典型孔分布情況，認(rèn)為在分析水泥石內(nèi)部濕熱傳輸時必須考慮濕度的Knudsen擴(kuò)散，并分析了考慮Knudsen擴(kuò)散的內(nèi)部濕傳輸機(jī)理，建立了相應(yīng)的濕傳輸模型； （2）參考熱膨脹系數(shù)的定義，考慮到實(shí)際應(yīng)用的方便性，初步提出了混凝土濕膨脹系數(shù)的概念、定義和理論計算公式的推導(dǎo)； （3）基于多孔介質(zhì)濕熱傳輸原理和水泥石濕熱傳輸模型，研究了混凝土材料濕熱耦合變形數(shù)值模擬方法，并通過算例分析進(jìn)行了驗(yàn)證； （4）結(jié)合實(shí)際環(huán)境溫濕度變化特點(diǎn)，提出了周期性溫濕度作用的類疲勞效應(yīng)、混凝土在周期性溫濕度環(huán)境和約束條件的變形開裂機(jī)理。 本項(xiàng)目提出了混凝土體積變形數(shù)值模擬的新途徑，提出了混凝土濕膨脹系數(shù)的概念、定義和理論計算公式，提出了溫濕度應(yīng)力損傷概念和周期性溫濕度作用的類疲勞效應(yīng)，為解決大體積和大面積混凝土工程裂縫、增強(qiáng)結(jié)構(gòu)耐久性提供理論支撐，對混凝土變形開裂機(jī)理和混凝土計算材料學(xué)的研究與發(fā)展有重要的科學(xué)意義。 2100433B

作為我國超高壩的主要壩型，高拱壩具有良好的承載能力及經(jīng)濟(jì)性，但同時其安全性也因高壩、大庫容、復(fù)雜環(huán)境條件等因素的影響而備受關(guān)注。為提高高拱壩健康監(jiān)測水平，研究準(zhǔn)確高效的損傷識別算法是目前的關(guān)鍵技術(shù)問題。因此，本項(xiàng)目課題組根據(jù)研究計劃要點(diǎn)和研究計劃進(jìn)度，擬定了詳細(xì)的研究方案，采用理論分析、數(shù)值模擬、模型試驗(yàn)相結(jié)合的研究方法，針對結(jié)構(gòu)參數(shù)不確定性大、反演算法不適定強(qiáng)等難點(diǎn)，運(yùn)用模型修正以及濾波類方法作為基本反演分析工具，結(jié)合正則化技術(shù)對結(jié)構(gòu)損傷識別算法進(jìn)行改進(jìn)，重點(diǎn)研究了高拱壩結(jié)構(gòu)分區(qū)等效彈性模量的檢測與診斷，全面完成了研究計劃內(nèi)容，取得了預(yù)定的研究成果。相關(guān)進(jìn)展和研究成果主要包括：（1）時變溫度場作用下高拱壩有限元模型的建立與靜動力分析；（2）適于高拱壩結(jié)構(gòu)損傷識別的正則化模型修正方法：具體包含基于響應(yīng)面方法的模型修正、基于DS證據(jù)理論的靜動力反演數(shù)據(jù)融合、不同正則化策略的模型修正算法等；（3）結(jié)合正分析先驗(yàn)信息的震后高拱壩模糊損傷識別方法，具體包括高拱壩彈塑性抗震分析以及可能的損傷模式、基于損傷模式種群篩選的遺傳算法、基于改進(jìn)遺傳算法的高拱壩模糊損傷識別方法等；（4）基于高拱壩長期變形數(shù)據(jù)的濾波類損傷識別方法，具體包括基于長期拱壩變形數(shù)據(jù)的擴(kuò)展卡爾曼濾波損傷識別方法、結(jié)合1范數(shù)正則化的無跡卡爾曼濾波方法、具有損傷識別和傳感器故障診斷功能的聯(lián)邦卡爾曼濾波方法、結(jié)合零變異改進(jìn)的PSO粒子濾波算法、集員濾波區(qū)間反演算法及其改進(jìn)等。本課題研究成果有助于提高高拱壩結(jié)構(gòu)損傷定位及定量評估的準(zhǔn)確性與可靠性，有利于保障高拱壩結(jié)構(gòu)的安全性，并為高拱壩在線監(jiān)測和損傷識別提供了必要的理論基礎(chǔ)和技術(shù)支撐。 2100433B