为解决细观力学模型的响应结果的离散分布问题,将水泥基材料划分为硅酸钙凝胶、水泥净浆、水泥砂浆和混凝土4个尺度,并考虑水泥的各相矿物组成、骨料和界面过渡区(ITZ),构建了多尺度下的水泥基材料细观力学模型。同时,将概率方法应用于模型的参数分析,通过全局敏感性分析来量化输入参数的不确定性对水泥基材料弹性模量的影响。研究结果表明细观力学模型响应结果的离散性主要来源于输入参数不确定性的跨尺度传播,总阶敏感性指数排序分别为:砂和粗骨料的弹性模量、砂和粗骨料的体积分数、水化产物的弹性模量、水泥熟料的体积分数、水泥熟料弹性模量。研究结果对于确定控制模型框架中的不确定性来源,以及提高模型响应的计算效率具有较好的实践意义。

低热硅酸盐水泥(简称低热水泥)复掺粉煤灰配制的混凝土具有放热慢、放热量低、后期强度较高的特性,为揭示其放热特性与水化机制,开展了胶凝材料的长期水化放热试验,获得了水化状态,借助吉布斯自由能最小化软件(GEMS)进行热力学计算,建立了水泥水化模型。结果表明: ①粉煤灰会显著降低低热水泥的水化热,水化稳定时水泥水化程度为86.0%、粉煤灰反应程度为53.3%;②建立的水化模型可以很好表征低热水泥水化过程,水泥以硅酸二钙(C₂S)为主导矿物,相较于普硅水泥与中热水泥,可生成更多水化硅酸钙(C-S-H)凝胶、更少Ca(OH)₂,这是其后期强度较高的内在原因;③不同类型C-S-H的饱和指数不同,其与Ca(OH)₂饱和指数、OH^-与Si⁴⁺浓度呈线性正相关,与Ca²⁺浓度呈负相关;④掺入粉煤灰后Ca(OH)₂被首先消耗殆尽,形成了钙硅摩尔比较高的C-S-H凝胶,钙矾石溶解形成单硫型水化硫铝酸钙,随掺量增加,C-S-H含量与钙硅摩尔比、pH值均显著降低,水化产物稳定状态在pH值上的拐点是12.86。研究成果可为研制掺粉煤灰的低热水泥混凝土提供理论依据。

为得到再生粗骨料CO₂最佳强化改性条件,利用响应面法(RSM)设计进行17组骨料碳化试验和骨料特性测试,并分别建立响应面回归模型。通过对模型进行显著性、可靠性和交互作用分析,研究CO₂浓度、碳化温度和相对湿度三因素耦合对再生粗骨料压碎值、吸水率和表观密度的影响;结合响应面模型优化改性条件,并对最佳碳化条件进行试验验证。结果表明:响应面模型可信度和精确度较高;碳化温度-相对湿度、CO₂浓度-碳化温度和CO₂浓度-相对湿度的交互作用分别对压碎值、吸水率和表观密度影响最为显著;最佳碳化条件为CO₂浓度38%,碳化温度41 ℃,相对湿度49%,且各指标实测值与预测值相对误差均<5%。提出的模型可为CO₂改性再生粗骨料提供参考。

独立覆盖流形法采取“分区级数解”的思想,将计算域划分为若干分区,在各个分区内部采用多项式级数等完备级数直接逼近真实物理场函数;各分区之间采用窄条带连接,通过单位分解函数将各分区级数连接成整体近似函数,在收敛意义上具有C₁连续性;计算网格具有任意形状、任意连接和任意加密的特性。基于计算网格的任意性,采用“一分为二”的网格分裂算法作为网格划分和细分的策略;基于收敛意义上的整体C₁连续性,采用物理场导数的连续程度作为误差控制的指标。以上组成了基于任意网格的自适应分析策略。通过数值试验验证了这一策略的可行性。在此基础上提出优化方案:采用绝对误差指标控制近似函数导数的连续性,以简化误差判断;采用网格预划分的方式优化凹角局部区域的网格分布。最后,通过方孔、重力坝等算例进行验证,表明优化方案可以大幅减少网格数量,从而节省算力。

川藏铁路隧道建设中,存在着因地质原因引起的高温地热问题,会对喷射混凝土的使用造成不利的影响。为了研究高温地热环境对喷射混凝土用水泥砂浆性能的影响,在实验室模拟了地热环境对试样水化硬化特征和力学性能的影响,并从微观机理上对其变化规律进行了阐释。结果表明:速凝剂的加入使得C₃A快速水化,形成针棒状的AFt晶体相互搭接,使水泥快速凝结;温度升高则显著提升了早期水化速率,从而提高样品的早期抗压强度, 60 ℃下1 d抗压强度达到28 d的64%;过高的温度会使水泥在短时间内产生大量水化产物,不能有序沉淀,导致孔隙结构劣化;高温导致水分快速流失,AFt向AFm转化,以及热应力导致微裂纹的形成,从而使孔结构进一步劣化并对后续强度的发展产生不利的影响。研究成果有助于理解高地温环境下喷射混凝土水化硬化过程和力学性能发展规律。

《水工混凝土结构设计规范》(NB/T 11011—2022)是水电工程钢筋混凝土结构设计的主要依据。然而该标准中有关设计基准期与分项系数等条文在应用中仍存在一些疑难点或不易明确的问题,易造成工程应用偏差。结合笔者团队多年大中型水电站水工结构设计经验,对标准中设计基准期、使用年限、目标可靠指标、可变作用取值、分项系数设置、地震组合等方面的问题进行了分析探讨,发现水电行业的结构目标可靠指标β_t相比国内其他行业处于较低水平,相关规范关于统计类可变作用设计基准期的规定缺失,目前的持久状况分项系数取值不能保证水工混凝土结构安全度总是高于房建工程;基于此,提出了提高目标可靠指标、 增加楼面及平台活荷载设计基准期 100 a规定等相应建议措施,以期为工程设计应用及标准修编提供参考。

针对深厚覆盖层心墙堆石坝坝基廊道普遍存在的开裂渗漏问题,提出了一种新型水工超高韧性水泥基复合材料HECC(Hydraulic Engineered Cementitious Composites)复合坝基廊道结构,即在廊道应力变形较大位置设置由HECC构成的塑性铰接段,适应廊道变形,从而提高坝基廊道的防裂性能。首先采用三维有限元数值模拟方法,分析坝基廊道的受力变形特性,揭示坝基廊道的开裂机制,明确易裂部位,确定HECC材料的设置位置;然后通过对比设置HECC塑性铰接段前、后廊道的应力分布,验证了HECC廊道的防裂效果。研究结果表明:水压和自重作用下,廊道受力条件复杂,呈现复杂的挠曲变形;距离端部30 m范围内是廊道应力变化剧烈区域,也是廊道的易裂部位;在两端大应力区设置HECC塑性铰接段后,HECC段承受了廊道本体的大部分变形,率先进入塑性状态,通过内部应力的调整,普通廊道段的应力会大幅下降,开裂风险会明显降低。HECC坝基复合廊道结构能有效减小或避免廊道的开裂和渗漏问题。

为推广中性骨料在西部严寒地区沥青混凝土面板中的应用,采用中性骨料辉绿岩进行室内沥青混凝土面板防渗层配合比和性能试验研究,通过13组试件对不同配合比沥青混凝土的孔隙率、48 h马歇尔斜坡流淌值、劈裂抗拉强度和劈裂破坏拉伸应变等指标进行分析,提出优选配合比,即级配指数0.4、沥青含量7%、填料掺量12%。性能试验研究验证得到:辉绿岩骨料黏结力等级为5级;优选配合比下沥青混凝土防渗层各项性能指标均能满足规范要求,具有足够的防渗性和变形能力;同时其冻断温度低于-37 ℃,能抵抗当地最低-31.9 ℃的低温环境要求。

为研究不同温湿度养护条件对混凝土抗冻性能的影响,采用核磁共振技术(NMR)对冻融循环作用下混凝土的内部孔隙参数进行测试。结果显示,混凝土相对动弹性模量在20 ℃-95%RH养护条件下经历300次冻融循环后基本平稳发展,而3 ℃-50%RH和10 ℃-70%RH养护条件下分别在200次和150次时出现急剧劣化趋势。养护温湿度不足导致混凝土内部没有足够的水化产物填充原始孔隙,随着冻融循环作用的进行,当混凝土内部受到渗透压力和冻胀压力时,不同类型孔隙之间会出现破坏、贯通,甚至在界面过渡区产生新的微小裂隙,从而使得孔隙率持续增加,其中小孔和中孔比例变化不大,而大孔和微裂隙明显增加。以相对动弹性模量为损伤变量得出不同冻融周期后的累积损伤,分析冻融损伤试验结果和损伤模型计算结果,累积损伤与循环次数的拟合曲线的决定系数均在0.98以上,表明微裂隙占比在冻融循环作用下的增长比相对动弹模损失率更敏感。

随着我国双碳战略的实施,抽水蓄能在新型电力系统中的地位愈加突显,而抽水蓄能机组引发厂房振动问题亦备受关注。总结分析了我国张河湾、黑麋峰、广州抽水蓄能电站在运抽水蓄能厂房振动案例的振源识别及其控力、错频和补强3种典型解决方法;梳理了目前广泛采用的两种厂房结构设计方案—厚板连续墙结构与板梁框架结构特点;基于厂房与机组振动控制案例,提出了结构振动测量的测点布置方案,明确了厂房结构振动测试方法与安全评价标准。研究成果对提高抽水蓄能电站厂房结构设计水平具有重要指导意义。

为解决高地温引水隧洞支护结构在运行过程中因拉应力过大导致的开裂问题,以某高地温引水隧洞为例,采用三维有限元仿真技术,模拟了不同隔热涂层厚度条件下隧洞全生命周期的温度与应力变化,并评估了其对抗裂安全性的提升作用。研究发现,随着隔热涂层厚度的增加,二次衬砌内外温差显著减小,同时,在过水前施加隔热涂层能够有效降低运行期二次衬砌所受拉应力,且涂层厚度与拉应力降幅之间呈正相关关系,不满足抗裂安全标准的区域面积也相应减少。当隔热涂层厚度为2 mm时,二次衬砌各部位拉应力均保持在材料极限抗拉强度之下,且大部分部位能满足抗裂安全度≥1.6的要求。研究成果可为类似高地温隧洞支护结构温控防裂提供参考。

三峡电站是世界上唯一采用3种蜗壳埋设方式的巨型电站,不同蜗壳埋设方式机组的运行状况及差异备受关注。结合真机性能试验监测资料,选择右岸电站3种蜗壳埋设方式的机组为研究对象,采用三维有限元法对相关监测参数进行反馈对比分析,总结不同埋设方式的结构承载规律及差异,综合评价结构的安全状态。研究表明:计算结果与实测数据规律一致,数值接近,验证了监测结果的可信度、设计研究及计算方法的合理性;直埋方案的混凝土承载比明显高于另两种方案,保压方案和垫层方案的混凝土及钢蜗壳应力总体处于同一水平;流道钢部件应力、钢筋应力及下机架基础相对上抬位移都在设计允许范围内;3种埋设方式下的结构混凝土及钢部件在运行期处于材料弹性阶段。综合分析认为,在运行期,3种蜗壳埋设方式的机组都在设计所预见的正常运行状况。

全平衡齿轮齿条爬升式垂直升船机螺母柱传力系统,具有边界条件非线性和材料应力-应变关系非线性的特点,易导致有限元结构计算繁琐且不收敛。基于螺母柱传力系统的结构组成、物理特性和受力条件,建立螺母柱和调整梁内力分析的半无限长双弹性耦合地基梁模型,提出螺母柱传力系统轴向力传递的分布函数假定,推导了螺母柱和调整梁的挠度、内力和强度的计算公式,并成功应用于三峡升船机螺母柱传力系统的结构内力与应力计算,揭示了基于轴向界面分布力假定螺母柱和调整梁的结构内力、最大正应力及剪应力的分布规律。研究成果对传力系统初始设计阶段的快捷计算具有重要指导意义。

针对现有规范关于大体积混凝土上下层温差的定义不便于计算和现场监控的问题,基于计算方式和监控指标相配套的原则,首先设计了4种上下层温差的计算方式,然后结合不同间歇期大体积混凝土温度场和徐变应力场仿真计算结果,获得不同计算方式下混凝土上下层最大温差和最大拉应力样本,进而确定最大拉应力样本的概率密度函数,并基于混凝土容许拉应力计算获得最大拉应力失效概率,最后通过确定上下层最大温差样本的概率密度函数,提出一种上下层容许温差拟定方法。结合某大型船闸工程进行了上下层温差分析,拟定了4种不同计算方式下的上下层容许温差,建议采取便于现场监控的上下层温差计算方式,现场上下层温差试验验证了提出方法的可行性。

为推广大粒径骨料沥青混凝土在水利工程中的应用,探究了相同配合比,不同影响因素条件下大粒径骨料沥青混凝土的应力应变、剪胀特性,在剪切大变形条件下(轴向应变ε_a=30%)对最大粒径D_max分别为26.5、31.5、37.5 mm沥青混凝土进行了静三轴试验研究,为进一步比较D_max分别为19、37.5 mm沥青混凝土心墙的差异性,基于未考虑心墙和堆石体接触的有限元模型对新疆某典型工程沥青混凝土心墙进行了对比分析,结果表明:随着骨料粒径增大,沥青混凝土的应力-应变曲线由软化型转为硬化型;相同围压条件下,大粒径骨料(D_max>19 mm)沥青混凝土的切线模量E_t低于D_max=19 mm沥青混凝土,围压增加时,D_max=37.5 mm沥青混凝土的最大偏应力、最大体应变相较于D_max=19 mm沥青混凝土都有所下降,适当增大最大骨料粒径可以减弱剪胀性;提出了初始物理参数(围压、不同最大粒径)计算相变应力比M_pt的表达式,可作为大粒径沥青混凝土剪缩剪胀转化的判断依据,M_pt越大,剪胀性越强;大粒径沥青混凝土心墙沉降率、最大小主应力和最大大主应力均几乎无差异。研究成果有助于推动大粒径沥青混凝土在高应力、深厚覆盖层条件的高坝工程的应用。

箱筒型基础防波堤是港口区域软土地基中较优的防波堤结构形式,为了探究其承载特性,通过大比尺的模型试验和数值仿真,研究了箱筒型基础防波堤的横向承载特性,分析了其受荷响应、失效模式、转动特性及与地基的相互作用。研究发现:横向荷载作用下,箱筒型基础整体失效模式为一般剪切破坏;准弹性阶段防波堤向荷载方向转动,转角与横向位移线性相关;塑性阶段临界位移约为基础长度的1.0%,变位模式由滑移为主向转动为主转变;失效阶段临界位移约为基础长度的3.0%,变位以转动为主;循环位移荷载作用下,正旋转发生循环硬化,负旋转发生循环退化。研究成果有助于完善箱筒型基础结构的计算理论。

胶凝砂砾石(CSG)是由天然砂砾石与胶凝材料拌合而成的新型筑坝材料,受地缘地质环境的影响,CSG材料存在含泥量差异。采用4因素(水胶比、水泥含量、粉煤灰含量、含泥量)4水平进行正交试验设计,开展CSG材料的抗压与劈拉强度试验,通过极差分析法确定决定材料强度的关键影响因素,并给出技术经济最优配比(水泥与粉煤灰含量均为60 kg/m³,水胶比1.1,含泥量2.05%)。采用XRD、SEM-EDS、BSE-IA分析CSG试块微观结构,结果表明:优化配比下,水化硅酸钙(C-S-H)等产物可有效填充微孔隙,形成致密结构,显著提升材料力学性能。

为探究高韧性水泥基复合材料(HTCC)在热-力耦合作用下的气渗特性,试验制备HTCC并测试其轴向拉伸力学性能,根据CAES运行工况在压强10 MPa、温度150 ℃以内选取9个试验方案,对10组HTCC试件做温压同步循环加载后进行高压气体渗透及微结构试验,测试热-力耦合作用对HTCC气渗性能及孔结构的影响。试验结果表明:HTCC拉压比可以达到0.16以上,峰值拉伸应变为0.7%以上,平均裂缝宽度为41~49 μm,具有很好的抗拉韧性与裂缝控制能力;HTCC气体渗透率为10^-18 m²数量级,温压同步循环加载后渗透率均有明显增长,且温度与压强对渗透率的影响效果不同,渗透率对压强的变化更加敏感;气体渗透率随进气口压力的增加而逐渐减小,但当进气口压力超过3 MPa后,渗透率基本趋于稳定;当压强<7.5 MPa、且温度<100 ℃时,温压循环后HTCC渗透率能保持在10^-18 m²数量级以内,可以满足CAES抗渗性能要求。当压强达到10 MPa时,HTCC临界孔径增大,孔径粗化,抗渗性能迅速劣化。

为探究超高性能混凝土(UHPC)在不同钢纤维下的单轴拉伸力学性能,设计了10组狗骨头型试件单轴拉伸试验,研究了钢纤维长径比(37、50、64、65)、掺率(2%、3%、4%)、形状(端钩型和弧型)和成型方式(搅拌法和渗浆法)对UHPC轴拉强度、应力-应变曲线、拉伸韧性和破坏过程的影响。结果表明:端钩型钢纤维长径比增加,UHPC轴拉强度提高6.54%~9.37%,软化段残余强度比值提高5.00%~38.30%;端钩型钢纤维体积掺率从2%增至3%、4%,UHPC抗拉强度、峰值应变和软化段残余强度比值均有所提高,拉伸韧性增加;端钩型钢纤维渗浆法成型试件相比搅拌法试件,强度变化不大,但峰值应变提高53.61%~91.96%;弧型钢纤维UHPC拉应力-应变曲线具有应变硬化特性,破坏过程呈多裂缝开展;与同长径比端钩型钢纤维试件相比,弧型钢纤维UHPC峰值拉应变提高了19.41~19.96倍,软化段残余强度比值提高18.00%~70.03%,弧型钢纤维增韧效果优于端钩型钢纤维。采用硬化指数和软化段残余强度比值方法可以全面评价UHPC轴拉峰前应变硬化特征和峰后的轴拉韧性。

为解决超高性能混凝土水泥用量成倍增加所带来的高碳排放问题,采用高炉矿渣、粉煤灰和硅灰等材料大掺量替代硅酸盐水泥,制备了一种低水泥含量的低碳超高性能混凝土(LC-UHPC)。考虑水泥替代率、钢纤维体积掺量和水胶比等3个因素,设计制作了11组共154个试件,通过不同龄期的立方体抗压试验、抗折试验与单轴受压试验研究了LC-UHPC破坏形态、基本强度与变形能力等力学性能的变化规律,并根据试验结果建立了单轴受压应力-应变全曲线数学方程。结果表明:LC-UHPC轴心受压破坏形态为剪切破坏,钢纤维掺入能明显改善LC-UHPC各项力学性能指标;与传统UHPC相比,LC-UHPC的水泥替代率最高可达70%,其28 d单轴抗压强度可达149.09 MPa;建立的轴心受压应力-应变曲线方程能够较好地预测LC-UHPC单轴受压下的力学响应全过程,可为LC-UHPC力学性能研究及其结构构件的设计计算提供有益参考。