[发明专利]一种混凝土材料分区设计方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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浇筑方量超过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。

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

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。

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1）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。

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。