水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂风险精准预测研究

钟琦皓,王启凡,蒋晓艳,刘菲菲

(1.江苏省水利工程科技咨询股份有限公司,南京 210000;2.华设设计集团股份有限公司 常州分公司,江苏 常州213000;3.淮安市水利勘测设计研究院有限公司,江苏 淮安 223001)

0 引 言

水利枢纽泵闸大体积混凝土结构出现开裂,不仅影响整体结构稳定性,而且对于表层施工安全性也有不利影响。同时,受到混凝土张力的影响,表层裂缝如果得不到及时修补,其开裂程度会不断加深,最终危害到内部结构的稳定性。因此,为了确保水利枢纽泵闸的正常运转,需要对混凝土开裂风险进行预测,针对不同程度的裂缝进行相应的修补处理。

文献[1]以掺加钢纤维的混凝土构件作为试验对象,对影响开裂的主要因素进行了分析。文献[2]结合多场耦合作用原理,对核电站混凝土开裂风险进行了试验研究。文献[3]采用控制变量法,探究了不同重复加载频率下混凝土的开裂性能影响因素。文献[4]通过对早期混凝土开裂情况进行热力模拟,对混凝土的耐久力进行了合理预测。上述方法均可以在一定程度上,实现对混凝土开裂情况的分析。但由于导致混凝土出现开裂的因素是多方面的,且不同因素对于开裂情况的影响程度也有所不同。因此,需要对开裂影响因素进行针对性分析,探究出不同因素的开裂敏感性。

本文以水利枢纽泵闸大体积混凝土为研究对象,通过对开裂机理进行分析,得到不同开裂因素的相对敏感性。在此基础上,提出一种新型的开裂风险预测方法,旨在提高预测精度,对混凝土开裂现象进行有效预测。

1 水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂风险精准预测研究

1.1 水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂因素敏感性分析

在水利枢纽泵闸大体积混凝土应力平面上,混凝土的强度会因截面高度的影响呈现不均匀分布的情况,这种强度的差异性会导致抗拉强度最低处容易出现开裂。混凝土开裂不仅影响表层的美观程度,同时还会对构件内部的结构稳定性造成影响,从而影响水利枢纽泵闸的正常运转。

影响混凝土开裂的因素有很多,如材料性质、结构稳定性以及施工环境等,不同的因素对于混凝土开裂的影响程度也有所不同[5]。因此,为了对水利枢纽泵闸大体积混凝土的开裂风险进行合理预测,本文在开裂机理分析的基础上,选定开裂影响参数,并对开裂因素的敏感性进行分析。

首先,混凝土的实际抗拉强度与开裂前的应力有直接关系。当混凝土的抗拉强度曲线与应力曲线呈相切关系时,在曲线切点处最容易发生开裂。裂缝间距越大,混凝土的拉应力也会随之增大。同理,当混凝土的实际抗拉强度与开裂应力曲线呈二次相切时,又会产生出新的裂缝[6]。同时,受到材料密度的影响,混凝土在开裂过后会出现回缩的情况,导致裂缝的宽度也随之增大。因此,混凝土路面在出现第一条裂缝后,如果不及时进行修补,往往会出现更多开裂强度更大的裂缝。图1为混凝土开裂机理图。

图1 水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂机理图

基于上述分析,本文将开裂影响因素归纳为7个,具体变量以及对应的参数特征值见表1。

表1 开裂因素变量参数特征

针对上述开裂因素的随机变量参数特征,本文通过计算影响因素对开裂风险的影响程度,完成对影响因素的敏感性分析。因此,本文通过构建线性回归方程,对因素参数的实际影响程度进行分析,所构建的回归方程表达式如下[7]:

式中:(xi,yi)为开裂因素变量i在回归直线中的坐标值。

将表1中的开裂因素变量参数特征值,代入线性回归方程中,计算出不同影响因素对应的敏感性相关系数[8]。为了方便直观比较,对计算出的敏感性相关系数进行归一化处理,由此得到可视化示意图,见图2。

图2 开裂因素敏感度可视化示意图

由图2可知,钢纤维混凝土抗拉强度对于混凝土开裂的影响程度最大,而桥板厚度和宽度对于开裂情况的影响程度最小。因此,在后续的开裂风险精准预测中,本文将忽略影响程度最小的两个相关因素,针对影响程度较大的相关因素进行重点分析。

1.2 混凝土裂缝宽度计算

针对上节中筛选出的混凝土开裂因素变量,对裂缝宽度进行计算。基于上述对混凝土开裂机理的分析可知,混凝土裂缝宽度与钢梁的抑制作用有关。虽然混凝土的抗拉强度会导致裂缝宽度变大,但混凝土内部结构中的钢梁和栓钉却能够反向抑制混凝土表层的开裂情况。因此,在进行裂缝宽度计算时,除了要考虑上述归纳出的开裂因素变量,还需要考虑到钢筋的附加应变[9]。在相同厚度的混凝土构件中,组合梁中性轴的高度差异也会对裂缝尺寸产生影响,具体见图3。

图3 组合梁中性轴高度差异对裂缝影响示意图

由图3可知,安装了组合梁中性轴以及栓钉的混凝土构件,其开裂程度明显低于正常的混凝土构件,开裂情况得到有效抑制。这主要是由于组合梁中性轴和栓钉与混凝土之前存在相对滑移,从而抑制了混凝土裂缝宽度的扩大[10]。因此,本文考虑组合梁中性轴对裂缝宽度的影响,选择先对受拉混凝土有效截面面积进行计算,具体计算公式如下:

Ae=2c(h-h0)

(3)

式中:Ae为有效截面面积;c为截面宽度;h0为有效截面高度;h为混凝土构件高度。

而钢筋有效接触面积可以通过受拉混凝土有效面积以及钢筋的弹性模量计算而得,具体公式如下:

式中:A为钢筋有效接触面积;n为钢筋个数;Es为钢筋的弹性模量。

基于上述对混凝土开裂影响因素的分析可知,钢纤维混凝土抗拉强度对开裂程度影响最大,由此可得到参数的计算公式如下:

(5)

式中:m为组合梁中性轴到混凝土构件顶端之间的距离[11]。

结合统计学分析原理,对水利枢纽泵闸大体积混凝土最大裂缝宽度进行计算,具体公式如下:

式中:K为钢筋应力;λ为钢筋附加应变常数;ωmax为混凝土最大裂缝宽度。

通过上述步骤,即可计算出水利枢纽泵闸大体积混凝土裂缝最大宽度,为后续的裂缝风险预测提供依据[12]。

1.3 混凝土开裂风险概率计算

在完成水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂影响因素分析以及开裂宽度的计算后,本文通过结合贝叶斯参数法,对开裂概率进行计算,从而实现对开裂风险的精准预测。

大体积混凝土构件的开裂程度与结构变形倾斜程度相关,当构件顶部或底部的变形倾斜程度超过某一界限后,混凝土构件的表面就会发生开裂。因此,首先需要对混凝土构件的变形倾斜程度进行计算,具体公式如下[13]:

式中:γs为混凝土构件的变形倾斜程度;ΔS为位于混凝土构件同一高度上的两点沉降差;ΔL为两点的直线距离[14]。

由于水利枢纽泵闸大体积混凝土在开裂之间所持续的异常状态具有较大的波动性,因此为对开裂前持续时间进行表征,可以通过结合指数分布算法构建出方程,具体表达式如下:

式中:TAS为混凝土开裂前异常状态的持续时间;ζ为对应的概率函数参数;Tq为开裂前异常状态的期望时间。

当TAS的值超过阈值时,代表混凝土构件表面的张力已经达到极限,此时将会出现开裂情况。在给定时间内,混凝土构件出现开裂的概率为:

(9)

与开裂概率相对应的开裂时间预估公式如下:

t=-ζln(1-PTAS)

(10)

根据所计算出的开裂概率,对开裂风险进行预测。对此,本文结合概率间隔以及概率中间值,将开裂风险一共分为5级。其中,一级风险所开裂的概率最低;五级风险所开裂的概率最高,具体风险概率对应分级结果见表2。

表2 风险等级与开裂概率对照表

将上文中所计算出的混凝土开裂概率与表2中的风险等级进行对应,即可得到不同开裂概率下对应的风险结果,从而实现混凝土开裂风险预测[15]。

通过上述步骤,即可完成对于混凝土开裂概率的计算,通过结合概率风险等级对照表,实现对开裂风险的预测。将本节内容与上述提到的开裂宽度计算以及开裂影响因素敏感性分析等相关内容进行结合,至此,水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂风险精准预测方法设计完成。

2 试验论证

为了验证本文提出的水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂风险精准预测方法的预测效果,优于常规的大体积混凝土开裂风险精准预测方法,在理论部分的设计完成后,构建试验环节,对本文方法的实际预测效果进行检验。

2.1 试验说明

为了验证本文提出的水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂风险精准预测方法的有效性,本次试验选取两种常规的大体积混凝土开裂风险精准预测方法作为对比对象,分别为基于神经网络的大体积混凝土开裂风险精准预测方法,以及基于蚁群算法的大体积混凝土开裂风险精准预测方法。通过构建试验平台,采用3种预测方法,对同一组模型进行预测,对比不同风险预测方法的实际预测效果。

2.2 试验准备

本次选取的试验对象为某地区水利工程的护岸结构。该工程主要施工内容为在现状河道基础上进行河道整治,根据现状河口宽度及河道稳定要求,河口宽度不小于现状,河底高程不高于0.50m,设计高程为低于4.60m段加高至4.60m,高于4.60m段维持现状地面高。工程等别为Ⅲ等工程,主要建筑物护岸为3级水工建筑物,临时工程为5级水工建筑物。图4为现场施工图。

图4 研究对象现场施工图

为了对研究对象的开裂风险进行预测对比分析,本次试验采用有限元软件Abaqus构建出细观模型,用于3种预测方法的实际分析。为了更好地比较出3种预测方法的实际预测性能,本文从试验对象中随机选取3个试件进行模拟构建,具体试件参数见表3。

根据上述试验参数,采用有限元软件Abaqus构建出3种试件的细观模型,并采用不同的开裂风险预测方法对其进行开裂预测。试件截面见图5。

为了提高试验结果的可靠性,本次试验对3个试件的混凝土抗压强度进行了调整,3个试件的抗压强度分别调整为25、30、35N/mm2,并采用3种预测方法对试件进行模拟开裂预测,对比不同方法下的开裂风险系数误差值,从而比较出方法的实际预测效果。

表3 试件参数

图5 试件截面结构图

2.3 预测精度对比结果

本次对比试验选取的对比指标为不同方法的预测精度,具体衡量指标为开裂风险系数的误差值,该值越低,代表方法的预测精度越高。具体试验结果见图6-图8。

图6 试件A的开裂风险系数误差对比结果

图8 试件C的开裂风险系数误差对比结果

根据上述试验结果可以看出,在针对不同抗压强度的混凝土试件进行开裂风险预测时,不同方法的预测精度也有所不同。通过上述开裂风险系数误差对比结果可以看出,本文提出的水利枢纽泵闸大体积混凝土开裂风险精准预测方法所得到的风险系数误差,明显低于两种传统的预测方法,且不会随着模拟时间的延长出现较大的波动,表明本文方法的预测精度优于常规的预测方法。

3 结 语

本文针对常规的混凝土开裂风险预测方法预测精度较差的问题,通过对混凝土开裂机理进行分析,归纳出不同的开裂影响因素,并对其进行了敏感性分析。在此基础上,构建出的开裂风险预测方法具备更高的预测精度,能够对混凝土的开裂时间以及开裂概率进行精准预测。