賈世欣

摘要：在我國的基礎建設中，混凝土結構是最普遍的結構形式。眾所周知，在役混凝土都是暴露在室外，時刻遭受著風吹日曬、環(huán)境污染、天氣變化等不利因素的影響，使得混凝土的耐久性損傷的問題日益加重?；炷两Y構的耐久性損傷問題如果不予重視，將對國家的財產(chǎn)及人民的生命安全造成重大危害，而對于正在發(fā)展的中國來說，基礎建設正處于高峰期，更要將混凝土耐久性的要求放在首要位置，進而才能促使我國經(jīng)濟整體健康快速的發(fā)展。

關鍵詞：模擬研究；背景；意義

1985年水電部混凝土耐久性調(diào)查總結報告中指出：水工混凝土凍融破壞在東北、華北和西北地區(qū)都普遍存在，這些大型混凝土工程的運行一般在30年左右，嚴重的都不到20年。這些工程中，北方港口的混凝土結構遭受的凍融破壞程度最為嚴重，破壞的結構主要是防坡堤、胸墻、碼頭和淺橋等。采用普通混凝土的部分結構，經(jīng)十幾年的運行就被凍融破壞而導致不能再發(fā)揮作用了。位于吉林省的豐滿水電站為大型混凝土重力壩，該工程1942年建成，1943年開始發(fā)電，但在1995年的水電站大壩的首輪定檢中發(fā)現(xiàn)大壩存在凍脹開裂的問題，混凝土的凍融破壞總面積達5萬平方米以上，凍融的最大深度到達2米，由于凍脹還出現(xiàn)了壩頂?shù)纳咭约耙缌髅?千多方混凝土被沖毀的嚴重事故；云峰壩，運行不到十年就出現(xiàn)了較為嚴重的凍害問題，溢流壩表面混凝土凍融破壞面積高達1000m2，占整個溢流壩面積的50%左右，混凝土平均凍融剝蝕深度達100mm以上；參窩壩建成僅三年溢流面就發(fā)生了大面積的凍融破壞。近些年來，世界各國因為凍融而造成的混凝土耐久性損傷的工程事故不斷發(fā)生，由此而帶來的維修費用也急劇增加，因此，混凝土的凍融損傷問題已經(jīng)受到了各國的重視，對混凝土抗凍性的研究對世界各國來說具有很大的經(jīng)濟意義和社會意義。

目前對混凝土凍融損傷的研究大都采用試驗的方法，但在試驗過程中會消耗大量的人力、物力，并且耗費的時間也會很長，同時也會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，而利用有限元的方法對試驗進行數(shù)值模擬，就能在一定程度上彌補試驗研究的缺點，同時能減小試驗中的誤差，論文采用ABAQUS有限元分析軟件對凍融試驗進行數(shù)值模擬，擬為今后凍融損傷的研究提供一個新的思路。

凍融循環(huán)作用下混凝土的破壞機理：由凍融引起的耐久性損傷問題，在很久以前就引起了社會的關注，國內(nèi)外一些學者在較早之前就對凍融問題進行了較深入的研究，美國、前蘇聯(lián)、歐洲、日本等國家在20世紀40年代就開始了對混凝土凍融破壞機理的研究。目前公認程度較高的是美國學者鮑爾斯（T.c.Powers）提出的靜水壓力假說，在其后的研究分析中，他又和Helmuth共同提出滲透壓假說，進而二者建立了較完整的理論體系；隨后加拿大G.G.Litvan提出了運動受阻礙機制，德國MJ.Setzer提出了基于熱力學方法的sctzer模型，土耳其B.v.Enustunl論述了混凝土的冰凍感受性，豐富了混凝土凍融機理的研究；1972年Fagerlund又對Powers的理論有更進一步的發(fā)展，對抗凍性定義做出新的理解，認為混凝土的抗凍性是混凝土的內(nèi)在性質(zhì)、氣候條件及使用環(huán)境共同影響的。雖然國內(nèi)外對混凝土凍融破壞的機理有著眾多的研究，但最終仍然沒有達到共識，具體分為以下幾類：靜水壓理論、滲透壓力假說、蒸汽壓力假說、微冰抽吸假說、溫度應力假說。

影響混凝土抗凍性能的主要因素：影響凍融破壞的因素有很多，例如混凝土內(nèi)部的孔結構、水飽和程度、受凍齡期、混凝土強度等。其中最主要的影響因素還是其內(nèi)部的孔結構，而其孔結構取決于混凝土的水灰比、有無外加劑和養(yǎng)護方法等。據(jù)以往資料分析，對混凝土抗凍性能有顯著影響的可分為以下幾方面：水灰比、含氣量、混凝土的飽水狀態(tài)、混凝土的受凍齡期、水泥品種、骨料的質(zhì)量、外加劑及摻和料的影響。

混凝土凍融循環(huán)數(shù)值模擬的研究現(xiàn)狀：混凝土是由各種粗細骨料組成的非均質(zhì)復合材料，傳統(tǒng)中對混凝土的研究，都是采用混凝土試驗來確定混凝土的各種力學性能，在鋼筋混凝土結構設計中所采用的承載極限設計值也都是通過建立試驗模型進行試驗得出的。在試驗過程中會消耗大量的人力、物力，并且耗費的時間也會很長，同時也會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，由于客觀條件的限制，實驗結果與實際工程會有一定的誤差。近些年計算機技術飛速發(fā)展，給我們的生活帶來了極大的方便，計算機在很多方面逐漸的代替了人力操作，有限元法是隨著計算機發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種現(xiàn)代計算方法，它是一種有效的分析方法。在連續(xù)力學領域、動態(tài)特性分析等領域應用廣泛。隨后又大量的應用在求解熱傳導、磁場、流體力學等連續(xù)性問題。近年來，國內(nèi)外學者對混凝土的數(shù)值模擬進行了大量的深入研究，混凝土材料數(shù)值模擬發(fā)展也已經(jīng)相對成熟，可以為數(shù)值模擬提供大量的反饋信息，使得研究結果也相對準確可靠。

論文利用ABAQUS對混凝土試驗進行數(shù)值模擬，此前中國學者更加詳細地考慮了熱應力之前，通過熱粘合模型來模擬起伏力，本文提供了溫度應力區(qū)提供了理論依據(jù)。天津大學趙代深對銅街子碾壓混凝土壩和五強溪溫度和應力場模擬研究了其他項目的，模擬的全過程，提出了增量動態(tài)仿真技術，清華大學等單位，專門的開發(fā)已經(jīng)完成混凝土溫度場有限元程序和數(shù)值模擬的應力場計算的蠕變，經(jīng)常應用，已經(jīng)在實際工程驗證。清華大學張國新，劉教授官廳實驗觀察，并在以下三種方法，結合研究的最終溫度場的影響RCC一級的聯(lián)合分配初始溫度的數(shù)值計算方法。黎收揖，楊婷婷給出了具體的參數(shù)熱，為了與實驗相比，遺傳算法的混凝土壩的溫度場的基礎上，我們反擊的分析。曹為民，謝先坤用層疊元模型朱岳明提出雙線性過渡部分，以簡化大型模擬復雜的液壓一些結構性問題，后澆注混凝土模擬分層溫度場它的用途。趙提出了應力分析的深刻代動態(tài)模擬。陳里紅、傅作新教授等在溫度應力分析中考慮了混凝土的軟化性能。陳敏林提出了估算應力方法。

數(shù)值模擬具有以下優(yōu)點：1.在試驗中經(jīng)常出現(xiàn)試驗條件變化或環(huán)境的變化是不可避免的，因此試驗結果也會常常出現(xiàn)誤差，但是數(shù)值模擬可以根據(jù)需要設置相應的試驗條件及環(huán)境條件，這樣就可以避免試驗結果隨客觀環(huán)境變化而變化的弊端，進而能保證試驗結果的準確性。2.眾所周知，混凝土試驗耗時長，且對人的操作具有較高的要求，同時還會產(chǎn)生大量的建筑垃圾，試驗環(huán)境也相當艱苦，從事試驗的研究人員，也會長時間的吸食水泥漂浮顆粒，危害身體健康。而采用計算機模擬就可以將以上問題避免，省時、省力且環(huán)保。3.混凝土試驗大都研究的混凝土宏觀的力學性能，而數(shù)值模擬能研究混凝土的微觀結構的力學性能，能從微觀的角度解釋混凝土的破壞機理。

關于凍融循環(huán)對混凝土的破壞作用，前人已經(jīng)做了較多的研究，但大都以試驗的方法進行的，而采用有限元模數(shù)值擬的較少，且不充分。論文以傳熱學、損傷力學、彈塑性力學，有限元法等知識為理論基礎，并對混凝土凍融循環(huán)的實際環(huán)境進行適度的簡化后，建立了混凝土凍融循環(huán)模型，并與試驗結果相對比，以驗證所建立模型的可行性，為今后混凝土凍融循環(huán)的數(shù)值模擬提供一定依據(jù)。以較小的代價，盡可能真實地模擬混凝土受壓和凍融循環(huán)試驗是本文的目標。（作者單位：內(nèi)蒙古自治區(qū)建材產(chǎn)品質(zhì)量檢驗院）