水工大体积薄壁结构混凝土应力场仿真计算中关键参数和算法研究

Comparing with dam concrete, the factual engineering phenomenon shows it is more difficult to predict and control the construction residual stress of hydraulic thin-wall mass concrete and the structure tends to crack easier, which is caused by the large space gradient and time gradient in temperature field and humidity field, complicated constraint in some structures, large difference in the initial temperature, and so on. In the future 5 years, the hydraulic engineering construction will face a new and great development. Therefore, it is urgent to solve such a problem. This project aims at the important parameters and key algorithm of the numerical simulation during construction and running for hydraulic thin-wall mass concrete structure. (1) The following points will be explored to increase the concrete temperature field prediction accuracy, including the relation between concrete hydration and Ea/R, the relation between temperature history and hydration reaction rate and the last hydration degree during different period. (2) The law of the interface mechanics parameters variation with time between different age concrete will be researched by experiments. Then a reasonable numerical model will be proposed. (3) The concrete thermal parameters variation experiments under different damage degree without moisture dissipation and the concrete humidity parameters variation experiments under different damage degree with same temperature will be applied. Based on it, the thermal-humidity-damage coupling algorithm will be developed. (4) A high efficient and high precise simulation program will be coded based on GPU technique. The research achievements may further solve the crack prevention problem in construction and running life forecast problem for the hydraulic thin-wall mass concrete structure.

工程实践表明，相对于大坝混凝土，水工大体积薄壁结构混凝土由于温度场和湿度场的空间梯度和时间梯度大、部分结构约束复杂、初始温度差异大等原因，导致施工期残余应力的预测和控制难度更大，结构更易开裂。未来五年水利工程建设将迎来新的大发展，该问题亟待解决。本项目拟对水工大体积薄壁混凝土结构施工和运行仿真中的重要参数、关键算法展开研究：（1）探寻混凝土水化度与Ea/R的关系，以及水化反应不同阶段内温度历程与水化反应速率和最终水化度的关系，提高混凝土温度预测精度。（2）采用实验方法探索不同龄期混凝土界面特性随时间的变化规律，提出合理的数值模型。（3）开展绝湿条件下不同损伤度时混凝土的热学参数变化实验和恒温条件下不同损伤度时混凝土的湿度参数变化实验，研究温度、湿度、损伤耦合算法。（4）研究基于GPU的高效高精度仿真算法。研究成果有望进一步解决水工大体积薄壁混凝土结构的施工期防裂问题和运行期寿命预测问题。

实践表明，相对于大坝混凝土，水工大体积薄壁结构混凝土由于温度场和湿度场的空间梯度和时间梯度大、约束复杂、初始温度差异大等原因，导致施工期残余应力的预测和控制难度更大，结构更易开裂。本项目采用材料试验、机理分析、算法探索等手段对水工大体积薄壁混凝土结构施工期仿真中的重要参数、关键算法展开研究。主要研究内容有：（1）探寻混凝土水化度与Ea/R的关系，以及水化反应不同阶段内温度历程与水化反应速率和最终水化度的关系；（2）采用实验方法探索不同龄期混凝土界面特性随时间的变化规律，提出合理的数值模型；（3）开展不同温度-湿度-约束组合条件下混凝土的参数变化实验，研究多场耦合算法；（4）研究基于GPU的高效高精度仿真算法。取得重要成果有：（1）提出了三个新绝热温升模型，均可适用于不同气候带不同极端初温条件下混凝土施工期温度场计算，温度峰值的预测精度比传统模型有显著提高，其中两个模型无需迭代计算，计算效率亦高于传统模型。（2）基于试验结果获取了相邻浇筑块缝面的剪切强度和抗拉强度的发展规律；编制了间歇面的接触计算模型程序；基于大量工程数据提出了基于初温的混凝土力学参数发展模型，这些成果明显提高了大体积混凝土施工期应力场计算精度，消除了不合理现象，应力结果更符合工程实际经验。（3）开展了温度-湿度-损伤耦合算法研究，编制了相关计算程序；基于试验结果获取了恒温变湿度条件下约束混凝土试件和自由混凝土试件的内部湿度和应变发展规律；对面板堆石坝的混凝土面板进行的分场计算和耦合计算表明，干缩应力和横缝内部约束是面板蓄水前开裂的主要原因。（4）研究了基于GPU的CUDA Fortran大体积混凝土温度场和应力场仿真计算方法和程序，开展了算法优化和测试分析；在含有640个流处理器的GPU条件下，部分子程序的计算效率提高了25倍，但总程序的计算效率仅提高了不到2倍，采用更多流处理器时可达到提升3倍的目标。