一种用于混凝土坝防裂的温度应力分析和反分析方法

摘要

本发明公开了一种用于混凝土坝防裂的温度应力分析和反分析方法，该方法采用三层B/S架构设计，其中：第一层，表现层：为数据采集层；第二层，应用层：包括WEB服务器和应用服务器以及中间件技术的实现；第三层，数据层：存放并管理各种信息，采用SQLserver数据库；该架构具有数据采集分析模块、仿真计算模块、反分析模块、后处理分析预警模块。通过采用本发明的三层架构和四个模块，能够实时跟踪并分析施工过程中混凝土的温度和应力变化，及时了解当前的温度和应力并对今后的温度和应力进行预测。

说明书

技术领域

本发明属于水利水电工程的技术领域，具体地涉及一种用于混凝土坝 防裂的温度应力分析和反分析方法。

背景技术

水利水电工程正朝着大规模方向发展，施工手段多样，施工速度快， 但施工过程中混凝土的裂缝是一个带有普遍性的问题，因此有“无坝不裂” 的说法。国际国内都有不少施工期或运行期出现严重裂缝的例子，有的工 程因此延误工期达数年之久，被迫推迟蓄水发电；有的大坝因为裂缝严重 影响安全和正常使用，甚至报废。在大坝裂缝事故中，大部分是由温度应 力引起，尤其是施工期内的裂缝，更是如此。

目前为止，大坝施工期和运行早期的裂缝问题，主要是通过施工期的 温度控制解决，因此，在混凝土坝施工中，加强混凝土温度的实时监控和 科学管理分析是十分必要的。为了保障施工质量，实时跟踪并分析施工过 程中混凝土大坝温度过程和应力变化，及时了解当前施工情况并对今后情 况进行预测，可以及时发现问题，及时采取措施，调整施工方案，对确保 工程质量是相当有指导意义的。但是，由于施工过程的模拟很复杂等原因， 很难实现实时的温度应力分析。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种用于混凝 土坝防裂的温度应力分析和反分析方法，其能够实时跟踪并分析施工过程 中混凝土的温度和应力变化，及时了解当前的温度和应力并对今后的温度 和应力进行预测。

本发明的技术解决方案是：这种用于混凝土坝防裂的温度应力分析和 反分析方法，该方法采用三层B/S架构设计，其中：

第一层，表现层：为数据采集层，以网页的形式分布，系统管理界面、 数据管理、成果的图表展示、预警信息，表现层将系统的操作界面与 系统的功能实现分离开来；

第二层，应用层：包括WEB服务器和应用服务器以及中间件技术的 实现，应用系统的业务逻辑实现层是系统的核心部分，它接收来自表 现层的功能请求，是实现各种业务功能的逻辑实体，这些逻辑实体在 实现上表现为数据库的触发器及存储过程、SapTis仿真计算组件、反 分析控制组件及结果处理组件；

第三层，数据层：存放并管理各种信息，采用SQLserver数据库，实 现对各种数据库和数据源的访问，是系统访问其它数据源的统一接 口；

该架构具有数据采集分析模块、仿真计算模块、反分析模块、后处理 分析预警模块，其中：

数据采集分析模块通过数据库技术获取指定数据，并将指定数据处理 分析，形成SapTis仿真计算程序需要的数据文件；

仿真计算模块通过调用SapTis仿真计算软件在各层的计算平台进行 温度应力的计算；

反分析模块对混凝土当前温度进行反馈分析，根据设定的反分析温度 误差进行相关参数调整，直到满足误差要求；

后处理分析预警模块从数据库读取计算结果，对计算结果进行分析和 处理，实现计算结果的可视化、直观化展示，并根据安全系数值进行 安全预警。

通过采用本发明的三层架构和四个模块，能够实时跟踪并分析施工过 程中混凝土的温度和应力变化，及时了解当前的温度和应力并对今后的温 度和应力进行预测。

附图说明

图1示出了根据本发明的系统结构示意图；

图2示出了一个标准的温度过程曲线，只有一期冷却和中期冷却。

具体实施方式

这种用于混凝土坝防裂的温度应力分析方法，该方法采用三层B/S架 构设计，其中：

第一层，表现层：为数据采集层，以网页的形式分布，系统管理界面、 数据管理、成果的图表展示、预警信息，表现层将系统的操作界面与 系统的功能实现分离开来；

第二层，应用层：包括WEB服务器和应用服务器以及中间件技术的 实现，应用系统的业务逻辑实现层是系统的核心部分，它接收来自表 现层的功能请求，是实现各种业务功能的逻辑实体，这些逻辑实体在 实现上表现为数据库的触发器及存储过程、SapTis仿真计算组件、反 分析控制组件及结果处理组件；

第三层，数据层：存放并管理各种信息，采用SQLserver数据库，实 现对各种数据库和数据源的访问，是系统访问其它数据源的统一接 口；

该架构具有数据采集分析模块、仿真计算模块、反分析模块、后处理 分析预警模块，其中：

数据采集分析模块通过数据库技术获取指定数据，并将指定数据处理 分析，形成SapTis仿真计算需要的数据文件；

仿真计算模块通过调用SapTis仿真计算软件在各层的计算平台进行 温度应力的计算；

反分析模块对混凝土当前温度进行反馈分析，根据设定的反分析温度 误差进行相关参数调整，直到满足误差要求；

后处理分析预警模块从数据库读取计算结果，对计算结果进行分析和 处理，实现计算结果的可视化、直观化展示，并根据安全系数值进行 安全预警。

通过采用本发明的三层架构和四个模块，能够实时跟踪并分析施工过 程中混凝土的温度和应力变化，及时了解当前的温度和应力并对今后的温 度和应力进行预测。

优选地，SapTis仿真计算需要的数据文件包括网格信息文件mesh.sap、 浇筑信息文件sup-step.sap、材料参数信文件els-para.sap、冷却信息文 件temp-para.sap、边界条件信息文件temp-bdy3.sap、水温文件 temp-water.sap、缝单元信息文件joint-mesh.sap、灌浆信息文件 grouting-step.sap、计算辅助信息control文件。

优选地，仿真计算模块进行如下步骤：首先将数据采集分析模块中形 成的9个数据文件以及SapTis可执行程序打包，将此包以计算任务的方式 提交到中间层的应用服务器上,应用服务器采用串行和并行两种计算模式， 计算模式通过表现层数据管理界面进行设置，并且将计算结果传递给反分 析模块或者存储到数据层的数据库中。

优选地，反分析温度误差根据混凝土本身的冷却过程以及历史关键时 刻确定，每仓混凝土采用仓中间和靠近仓上游面的两个点的实测温度过程 为依据，每天一个温度测值，冷却过程根据温度过程的转折点分为一期冷 却温升阶段、一期冷却降温阶段、一期冷却控温阶段、中期冷却降温阶段、 中期冷却控温阶段、二期冷却降温阶段、二期冷却控温阶段等，历史关键 时刻主要是实测温度过程各转折点时刻，包括最高温度出现时刻、一期冷 却末时刻、中期冷却开始时刻、中期冷却结束时刻、二期冷却开始时刻、 二期冷却结束时刻以及其他温度曲线有转折时刻，各冷却过程的平均误差 为±0.5℃，各历史关键时刻的误差为±0.5℃，每次反馈计算需同时满足这两 个误差要求反馈计算才结束。

图2是一个标准的温度过程曲线，只有一期冷却和中期冷却，那么反 馈分析子系统需要根据每次仿真计算的误差判断是否需要调整温控参数， 继续进行仿真计算。图中Tm为最高温度，Tc1为一期冷却目标温度，Tc2 为中期冷却目标温度，D1为达到最高温度时刻，D2为达到一期冷却目标温 度时刻，D3为达到中期冷却目标温度时刻，D4为控温结束时刻。优选地， 各个冷却阶段的误差采用公式（1）～（4）计算，

$r_{\mathrm{fk}}=\frac{\underset{i=1}{\overset{D1}{\Sigma }}(T_{\mathrm{ic}}-T_{\mathrm{im}})}{D1}---\left(1\right)$

$r_{\mathrm{fj}}=\frac{\underset{i=D1}{\overset{D2}{\Sigma }}(T_{\mathrm{ic}}-T_{\mathrm{im}})}{D2-D1}---\left(2\right)$

$r_{\mathrm{mj}}=\frac{\underset{i=D2}{\overset{D3}{\Sigma }}(T_{\mathrm{ic}}-T_{\mathrm{im}})}{D3-D2}---\left(3\right)$

$r_{\mathrm{mk}}=\frac{\underset{i=D3}{\overset{D4}{\Sigma }}(T_{\mathrm{ic}}-T_{\mathrm{im}})}{D4-D3}---\left(4\right)$

其中，r_fk、r_fj、r_mj和r_mk分别为一期控温阶段误差、一期降温阶段误 差、中期降温阶段误差、中期控温阶段误差，T_ic和T_im分别为每天的 计算温度和每天实测温度，

各关键时刻误差通过公式（5）～（8）计算，

r_m=T_mc-T_m       （5）

r_c1=T_c1c-T_c1       （6）

r_c2=T_c2c-T_c2      （7）

r_fc2=T_fc2c-T_fc2      （8）

其中r_m、r_1c、r_c2和r_fc2分别为D1、D2、D3和D4时刻的误差，T_mc、T_mc、 T_mc和T_mc分别为计算最高温度、计算一期冷却目标温度、计算中期冷却目标 温度和中期冷却控温结束时刻计算温度。

优选地，后处理分析预警模块通过内嵌后处理程序实现对数据的可视 化输出，通过批处理命令实现后处理图表的自动生成，通过网页内嵌图形 模块实现在系统中显示，并且将各部位安全系数与设定的允许安全系数对 比，输出安全系数不达标位置坐标信息并在表示层进行预警。

优选地，通过网页内嵌图形模块在系统中显示温度过程曲线、应力过 程曲线、安全系数过程曲线、最高和最低温度包络图及云图、最大和最小 应力包络图及云图、安全系数包络图和云图、典型位置温度和应力对比表。

优选地，安全系数为当前应力同允许应力的比值，安全系数过程曲线 是将各个时刻的安全系数以曲线的形式表达，曲线图横坐标为时间，纵坐 标为安全系数值，安全系数过程曲线用于表达各个部位各个时刻的安全系 数值。

优选地，安全系数为当前应力同允许应力的比值，安全系数包络图是 将研究对象的整体、局部实体或者某个切面的所有点的安全系数以等值线 的方式表达，安全系数包络图用于表达研究对象某个时刻或者某种状态的 安全系数值的分布。

优选地，安全系数为当前应力同允许应力的比值，安全系数云图是将 研究对象的整体、局部实体或者某个切面的所有点的安全系数通过颜色的 差别以云图的方式表达，安全系数云图用于表达研究对象某个时刻或者某 种状态的安全系数的分布。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的 限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等 同变化与修饰，均仍属本发明技术方案的保护范围。