混凝土极限拉伸试验：混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统
混凝土极限拉伸试验：混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统国家自然科学基金项目(51779277);国家重点研发计划项目(2018YFC0406703);作者简介：刘毅(1979—) 男，正高级工程师，水电中心主任，结构所所长，博士，研究方向为高坝真实工作性态分析、大体积混凝土温控防裂等。基金：
摘 要：
针对混凝土“应力算不准”的问题，为了提高混凝土材料参数获取的准确性，增强混凝土施工期的温控防裂安全性，通过对室内试验和三维有限元数值模拟方法的耦合，研发了混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统，其中包括基于新型开裂全过程仿真试验机的混凝土实际服役环境(温度作用和约束条件)下的变形与温度应力监测模块、基于全过程仿真方法的混凝土应力模拟分析模块，以及混凝土应力仿真模拟和仿真试验耦合分析模块。该系统实现了对混凝土应力仿真模型精度的改进，使其可以考虑温度历程对混凝土材料参数和温度应力的影响。以乌东德水电站工程为例，采用本系统进行了混凝土应力仿真试验和仿真模拟分析，获取了混凝土实际工作状态下的材料参数；考虑早期温升历程影响，混凝土弹性模量较恒温养护的结果增长6.2% 提高了混凝土材料参数评价的准确性。
关键词：
温度应力;仿真模拟;试验;同步测试;
作者简介：
刘毅(1979—) 男，正高级工程师，水电中心主任，结构所所长，博士，研究方向为高坝真实工作性态分析、大体积混凝土温控防裂等。
基金：
国家重点研发计划项目(2018YFC0406703);
国家自然科学基金项目(51779277);
中国水科院科研专项(SS0145B712017 SS0145B612017 SS0145B392016);
流域水循环模拟与调控国家重点实验室资助项目(SKL2020ZY10 SS0112B102016);
三峡集团公司乌东德温度应力试验项目(WDD/0428);
引用：
刘毅 全永威 张秀崧 等. 混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统[ J] . 水利水电技术(中英文) 2022 53(1): 63- 72.
LIU Yi QUAN Yongwei ZHANG Xiusong et al. Synchronous testing system of simulation and simulative experiment of concrete temperature stress [J]. Water Resources and Hydropower Engineering 2022 53(1): 63- 72.
0 引 言
长期以来，大体积混凝土开裂已是较普遍的现象，且有“无坝不裂”的说法。混凝土的裂缝不仅影响其外观，同时也使混凝土损伤加剧，进而降低其耐久性，影响结构物的抗压/抗拉能力和变形能力，严重缩短建筑物的使用年限，增加工程重建和修复成本。混凝土工程在施工期和运行期的有效防裂一直是施工方、科研单位和业主最为关注的问题，但鉴于施工过程中各种自然环境因素的不确定性，以及对混凝土材料特性、裂缝机理等认识不够全面和透彻等问题的存在，混凝土开裂问题仍没有解决，依然是目前大体积混凝土亟待解决的关键问题。
混凝土的强度发展规律、抗裂特性和开裂机理既受温度和湿度因素影响，也受到其弹性模量发展、自生体积变形规律以及外部约束等因素的综合影响，而目前实验室养护环境以及传统的试验方法与工程中混凝土所处的真实环境条件以及承受荷载的方式有明显区别，试验结果难以反映混凝土温度、湿度和约束耦合作用下的实际抗裂能力。
目前，传统室内混凝土开裂行为评价试验主要包括：
(1)美国学者KARRI提出的平板法研究混凝土开裂行为，试验用的混凝土试件尺寸为 610 mm×914 mm×19 mm 混凝土的收缩变形约束由布置在平板周边的钢筋提供。平板式开裂试验可在板状试件的四周、底部以及四周和底部同时提供约束。平板约束法的主要目的是获取混凝土试件的开裂龄期、各种裂缝的宽度和长度等数据，而混凝土试件自浇筑后内部产生的由平板约束引起的收缩应力和收缩应变等参数是无法获取的，只能依据可获取的有限试验参数综合评价试验用混凝土的开裂行为，为控制和处理早期裂缝提供科学的依据。平板约束法试验装置的优点是简单易操作，可在一般试验室条件下进行试验，并对所研究的混凝土收缩性能和开裂性能进行定性分析。然而，平板约束法试验装置本身存在诸多限制：由于板状试件厚度较小，因此只能适用于粒径较小的混凝土试件。此外，板状试件的受约束程度未知，有可能导致试件在试验时间段内不发生开裂，无法得到第一条裂缝产生的时间及宽度等重要指标，也就无法评价混凝土的开裂行为。
(2)约束环法一般采用圆形的刚性材料作为约束体 由于其结构对称、操作方便，因此诸多学者采用此方法研究混凝土材料的开裂问题。早期的约束环法试验得到的直接数据只有开裂时间和裂缝宽度，以此综合评判试验用混凝土的早龄期开裂风险。此类研究方法仅是一种定性的研究手段，能够帮助研究人员粗略了解不同混凝土材料的开裂行为。为了能够从该种试验方法上获取更多数据，学者们将应变片贴于金属环内壁上，借助应变片和力学理论知识获取更为丰富的试验数据。约束圆环法虽然成本低、宜实现，但也存在一定缺陷：①受圆环本身尺寸的限制，多数试验仅限于水泥砂浆试验和细骨料的混凝土试验；②圆环对混凝土提供的约束度是一个变化值，随着混凝土力学性能的增长，金属环对混凝土的约束度逐步减弱，无法提供一个恒定约束；③混凝土环实际处于多向受力状态，而分析时常简化为单一受力状态，其中的差异程度未知。
(3)单轴开裂试验架的试验方法与被动约束圆环法类似，只是受力状态更为清晰，也可采用更大粒径的骨料进行试验。由于金属框架的刚度有限，通过粘贴于金属框架上的应变片可测量金属框架的变形，从而求出混凝土所受的拉应力，并根据应变数据的突变判断开裂时刻。
通过对比约束圆环法和开裂试验架可以发现，这两种试验方法均无法精准模拟早龄期混凝土的温升—温降历程。德国学者SPRINGENSCHMID在上世纪80年代设计出了第一代混凝土温度应力试验机(TSTM) 并通过大量试验验证了该机器在判断混凝土开裂性能方面的有效性。
中国水利水电科学研究院研制了新型混凝土开裂全过程仿真试验机 利用其本身的控温模板和人工气候模拟箱，模拟工程现场环境条件下混凝土从浇筑早期到硬化全过程的混凝土实际温度、应力和强度变化历程，研究分析混凝土在不同温降条件下的变形规律，以此获取混凝土强度发展规律、抗裂特性和开裂机理，为优选最佳温控曲线和提高混凝土工程施工安全性提供科研和工程应用支撑。
混凝土开裂行为数值仿真计算在近些年也取得了长足的进展。例如：朱伯芳等将自主开发的混凝土温度应力有限元程序应用于大体积混凝土结构的温度应力分析中，这也是我国首次成功实现大体积混凝土结构的温度场和应力场的仿真计算；刘宁等结合大体积混凝土结构浇筑环境的气温和混凝土材料性质的随机性，将可反映材料性质随机性的基于随机变分原理和有限元列式引入大体积混凝土结构随机温度应力的计算，使得大体积混凝土结构在进行温度应力计算时可以考虑混凝土材料性能随龄期和周围环境变化等因素的影响；张国新等开发了大体积混凝土结构温度场与应力场的计算程序SAPTIS 该程序可以全面考虑混凝土施工期和运行期的各种边界条件(材料参数边界、施工进度、环境边界、约束边界等) 实现对混凝土温度场和应力场精准的全过程计算分析。
在混凝土开裂行为试验和数值仿真同步分析方面，基于上述试验方法和数值分析方法，学者们进行了大量的涉及混凝土材料参数的研究。与此同时，为了能够更精准地获取和预测混凝土的材料参数，通过采用成熟度法来考察温度历程对混凝土材料参数(弹性模量、强度及徐变等)的影响。但是，上述方法的应用需要提前确定混凝土的活化能这一重要参数。除活化能的获取需要进行较为复杂的试验外，混凝土每一项材料参数都需要进行单独测试，无疑进一步增加了试验成本和复杂性。
综上，若能提出一种综合性的试验和仿真分析方法，能够将混凝土的材料参数通过一次实验和仿真分析进行推演，同时考虑温度历程的影响，无疑会提高混凝土参数反演的准确性和便捷性。
本文利用高效并行化的先进混凝土应力仿真分析软件，初步构建了混凝土从自浇筑到破坏的全过程真实气象环境、真实温度发展过程和不同约束度的温度应力仿真分析，模拟仿真不同配合比混凝土构件在各种温度荷载、不同约束度情况下的变形与应力。在试验的同时采用此仿真分析方法同步仿真该构件的变形与应力，通过对比分析研究，明确混凝土构件应力仿真分析的误差及其原因。通过试验和仿真分析，可实现真正意义上的仿真计算和试验紧密相结合的研究模式(见图1) 为混凝土真实应力仿真计算模型验证与改进提供支持，从而提高混凝土工程的安全建设能力。
图1 混凝土应力仿真计算与仿真试验关系
1 混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统传统的混凝土材料参数通常采取恒温养护的静养，不考虑荷载的作用，这种试验条件与混凝土浇筑后的真实状况不符，无疑引起混凝土材料参数实验室和现场数值测试结果的不同。因此，混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统尝试解决的难点在于尽可能地减少需要进行的混凝土材料参数试验数量，在不需要额外进行混凝土活化能补充测试的情况下，能够反演出考虑温变历程、约束状态以及养护时间等因素共同作用下的混凝土材料参数发展规律，特别是早龄期阶段。
1.1 系统功能
混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统实现的主要功能是通过对基于混凝土开裂全过程仿真试验机的混凝土温度应力试验(仿真试验模块)和基于SAPTIS的混凝土温度应力仿真计算分析(仿真模拟模块) 实现对混凝土真实应力仿真计算模型验证与改进(混凝土应力仿真模拟和仿真试验耦合分析模块) 获取真实工况下混凝土浇筑后的材料参数变化发展历程，进一步提高混凝土温度应力仿真计算分析的准确性。混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统的技术路线如图2所示。
图2 混凝土真实应力仿真技术路线
1.1.1 仿真试验模块
将实测混凝土温度数据传输至混凝土开裂全过程仿真试验机(见图3)作为混凝土试件的温度边界，试验机模板内浇筑与施工现场同一配比制作的混凝土试件，基于试件上安装的温度传感器实现对混凝土温度历程的监控，基于LVDT实现对试件在设定约束度下的变形控制，由此测量并获取混凝土在上述温度历程和约束度条件下的混凝土温度应力发展规律；同步将试验机获取的混凝土温度和应力数据传输至混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统并展示。
图3 混凝土开裂全过程仿真试验机
仿真试验模块采用的试验设备是由中国水利水电科学研究院自行研制的新型混凝土开裂全过程仿真试验系统，主要包括以下三部分：(1)荷载控制系统，即，通过安装于TSTM传力杆的轮辐式荷载传感器测量并实现混凝土约束荷载的实时监控；(2)温度控制系统，即，TSTM模板为中空不锈钢模板，内部填充乙二醇水溶液，溶液经温控设备控温后通过泵送循环系统传至各个模板，用于维持混凝土试件的温度边界；(3)位移控制系统，即，采用LVDT直接测量试件中部的位移变化，消除因环境温变导致设备金属构件变形引入的测量误差，同时LVDT可采用预埋杆与混凝土试件相连，实现同步测量混凝土真实变形，进而实现对混凝土变形的约束控制。
新研制的混凝土开裂全过程仿真试验机的性能参数如表1所列。
1.1.2 仿真模拟模块
仿真模拟模块包含混凝土试件和开裂全过程仿真试验机框架有限元仿真模型(见图4) 通过给定材料参数边界(弹性模量、线膨胀系数、徐变，等)、温度边界(实测温度历程、人工预设温度历程，等)以及约束边界条件(自由、部分约束和完全约束状态) 进行混凝土浇筑—开裂全过程的温度应力有限元仿真模拟计算。
图4 混凝土开裂全过程仿真试验系统有限元模型
本模块采用的仿真程序是由中国水利水电科学研究院张国新开发的大体积混凝土结构温度场与应力场的计算程序SAPTIS 该程序可以全面考虑混凝土施工期和运行期的各种边界条件(材料参数边界、施工进度、环境边界、约束边界等) 实现对混凝土温度场和应力场的计算分析。
1.1.3 混凝土应力仿真模拟和仿真试验耦合分析模块
基于仿真模拟和仿真试验模块获取的结果率定混凝土有限元模型材料边界，本模块采用的率定流程如图5所示，以应力实测值和计算值误差最小为目标，对线膨胀系数、弹性模量以及徐变等参数进行反演，并将该反演参数作为输入数据定期更新，获取真实工况下混凝土的材料参数，并用于数值仿真计算的扩展分析。
图5 混凝土材料参数反演流程
1.2 系统界面
混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统界面如图6所示。该界面主要包括：仿真模拟系统输出的温度—应力曲线、仿真试验系统输出的温度—应力曲线、两种系统曲线对比图、仿真模拟系统云图、仿真试验系统视频，以及基于仿真模拟和仿真试验系统反演的混凝土材料参数曲线(弹性模量、线膨胀系数，徐变等)。
图6 系统界面
仿真模型菜单栏中包含了仿真模型详细的设计参数，包括网格信息、计算控制参数、节点温度、气温边界、混凝土热-力学参数边界、约束框架热-力学边界、约束边界，以及后处理的特征点温度—应力提取控制参数等内容。
指定参数菜单栏包含了基于仿真模拟与仿真试验结果反演出的混凝土材料参数拟合公式，包括弹性模量、线膨胀系数，以及徐变等参数，通过对上述公式参数的调整，得到混凝土的真实材料参数。
本系统采用C/S架构进行开发，总体结构如图7所示。可根据不同的用户，将仿真系统计算的数据文件、从仿真试验设备上采集的数据文件以及通过给定的参数用计算公式计算的数据实时解析并动态生成对应的云图、过程线及对比曲线，在相应的页面中可视化展示出来。仿真模拟数据文件是将原仿真系统的计算功能集成进来，点击计算后，通过调度程序实时读取计算生成的结果文件；试验数据文件通过调度程序实时从试验机服务器上的指定文件夹下读取指定的文件；指定参数用公式计算的数据，通过对应的输入页面进行录入，并按指定的时间间隔代入公式进行计算生成。
图7 系统结构示意
2 应用实例为了验证系统功能，以乌东德水电站工程混凝土为例，采用混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统开展了早龄期混凝土温度应力测试和反演分析。
2.1 工程概况
乌东德水电站大坝坝顶高程988 m 最大坝高270 m 总库容74.08亿 m3。乌东德大坝全坝采用低热水泥混凝土浇筑，大体积混凝土的温度开裂是科研人员最关心的问题，因此，评估低热水泥混凝土的温度开裂风险是确保工程安全施工的重要内容。
2.2 仿真试验
2.2.1 原材料
水泥选用嘉华低热硅酸盐水泥，化学成分和矿物成分如表2和表3所列。骨料选用云南省乌东德大坝施工地处的灰岩碎石，拌和用水为自来水。混凝土配合比如表4所列。
2.2.2 试验步骤
混凝土温度应力试验步骤如下：首先，将按照表4配合的混凝土湿筛成二级配后浇入混凝土开裂全过程仿真试验机模板，然后，振捣并安装温度传感器和LVDT(见图8) 设备软件中导入温度数据，约束度设定为100%;上述参数设定完成后开始试验，直至混凝土开裂。
图8 混凝土开裂全过程仿真试验
2.3 仿真模拟
2.3.1 有限元模型
混凝土试件模型的尺寸为1 500 mm×150 mm×150 mm 由于混凝土表面受温度模板影响显著，温度梯度较大，试件单元划分较密，剖分单元99 048个，结点103 071个，以便能更好地反映温度的传导。获取的典型混`凝土试件温度云图如图9所示。
图9 典型混凝土模拟温度云图(单位：℃)
2.3.2 边界条件
温度边界条件：试件直线段的4个侧面均为热量交换边界(见图10)。
图10 温度边界示意(俯视)
约束边界条件：由于混凝土和试验机金属框架整体建模，混凝土通过其端部与金属框架共用结点，可以直接承受金属框架的实时约束，此设定也与混凝土开裂全过程试验时混凝土与金属框架的实际内力作用关系一致。
材料边界条件：表5给出了仿真计算采用的混凝土和框架变形参数和温度初始值。
徐变度为
式中，k1 k2 k3为徐变速率参数，无量纲；A1、A2、α1、B1、B2、α2、D为徐变度参数，单位为1×10-6/MPa。
各参数初始值如表6所列。
2.4 反演分析
图11给出了在设定温度历程下，基于仿真试验模块获取的应力实测曲线、基于仿真模拟模块获取的应力计算曲线，以及反演后的应力优化曲线。
图11 混凝土温度应力对比
图12至图14分别给出了基于本系统率定的混凝土真实工作性态下早龄期阶段弹性模量、线膨胀系数和徐变度发展曲线。可以看出，与传统实验室恒温标准无外荷载养护条件相比，根据混凝土温度应力试验耦合仿真计算反演出的混凝土材料参数与传统实验室内标养实验得到的混凝土材料参数存在一定的差距。例如，弹性模量方面，基于弹性模量初始值计算出的膨胀阶段压应力偏低，优化后2 d龄期混凝土的弹性模量调整为15.5 GPa 较初始值14.6 GPa提高6.2% 使压应力阶段数据更贴合试验值。基于本系统反演获取的混凝土材料参数得到的混凝土应力计算值与试验值匹配度更高，说明本系统可以高效准确的获取混凝土浇筑后的真实材料特性。
图12 混凝土弹性模量率定
图13 混凝土线膨胀系数率定
图14 混凝土徐变度率定
3 结 论(1)结合混凝土开裂全过程仿真试验机和三维有限元分析软件，构建了混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统，实现了基于优化温度应力仿真计算值，缩小与温度应力试验值的差异，以精准获取混凝土材料参数的分析方法。
(2)混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统可以考虑温度历程、约束以及养护龄期等因素的影响，尤其适用于大体积混凝土结构等需要考虑温度因素的混凝土材料参数反演。
(3)考虑早龄期温升对混凝土材料特性发展历程影响，获取了混凝土的弹性模量、线膨胀系数以及徐变等参数。以弹性模量为例，基于本系统反演得到的弹性模量数值较标准养护下的弹性模量提高6.2%。
综上，基于混凝土温度应力仿真模拟与仿真试验同步测试系统，在获取混凝土浇筑后真实约束应力历程，并结合数值计算快速反演优势的基础上，分离出混凝土真实工作性态条件下的材料参数，改进仿真模型的材料边界，由此得到的材料参数较传统室内标养试件获取的数据更具实际意义，可以进一步降低施工期混凝土开裂风险，提高混凝土应力仿真精度和预测准确性。
水利水电技术（中英文）
水利部《水利水电技术（中英文）》杂志是中国水利水电行业的综合性技术期刊（月刊），为全国中文核心期刊，面向国内外公开发行。本刊以介绍我国水资源的开发、利用、治理、配置、节约和保护，以及水利水电工程的勘测、设计、施工、运行管理和科学研究等方面的技术经验为主，同时也报道国外的先进技术。期刊主要栏目有:水文水资源、水工建筑、工程施工、工程基础、水力学、机电技术、泥沙研究、水环境与水生态、运行管理、试验研究、工程地质、金属结构、水利经济、水利规划、防汛抗旱、建设管理、新能源、城市水利、农村水利、水土保持、水库移民、水利现代化、国际水利等。
