1.6 本书研究思路与主要内容

基于上述混凝土结构在温控防裂领域的研究、应用及发展现状，笔者结合工程项目中出现的一些关键及难点问题，在前人研究的基础上，主要就混凝土热力学特性、混凝土边界传热问题、混凝土坝孔口结构有限元仿真以及大坝孔口混凝土裂缝成因与防裂方法等几个方面的问题进行了较为深入的研究，本书主要做了以下工作。

（1）混凝土热学和力学性能的研究。混凝土的水化反应过程与龄期、初始温度、温度历程、最终绝热温升以及活化能均有关系，因此，传统的基于龄期的绝热温升模型并不十分准确。本书主要从热分析动力学方程出发，依据不同初温下混凝土的绝热温升试验，推导并寻找一个更为接近真实混凝土水化反应行为的绝热温升动力学模型，以便进一步提高仿真计算的精度，为后续研究提供更为可靠的基础。

混凝土的强度不仅与龄期有关，其终值还受养护温度的影响，此外，还存在着尺寸效应。为了能够综合考虑这些因素的影响，需建立相应的计算模型，将有利于提高对混凝土抗裂性的评价。此外，混凝土的自生体积变形和徐变效应也均与自身温度有关，因此，建立考虑温度影响的计算模型，也是提高仿真精度的重要方面（见第2章）。

（2）混凝土孔口结构温度场和应力场仿真计算的有限元子模型法。混凝土坝孔口结构尺寸相对于坝体截面一般很小，仿真计算时通常被简化甚至忽略，而子模型技术是解决这一问题的有效途径。但是将子模型法应用混凝土温度场和应力场的仿真计算时有以下几个问题需要解决。

1）目前有限元模型多利用等参单元对计算域进行离散，因此，就存在子模型切割边界条件的确定问题，即插值问题。

2）混凝土非稳定温度场和应力场子模型计算公式的推导及温度和位移切割边界条件在时间域和空间域上的确定。

3）子模型法在对混凝土非稳定温度场和应力场计算时存在空间域和时间域上的离散误差，因此需要减小这些误差以便提高计算精度。

针对此问题，本书主要通过引入一种高效的等参逆变换方法，解决切割边界的插值问题；利用目前成熟的非稳定温度场和应力场有限元隐式解法推导了在空间域和时间域上加密后的子模型仿真计算公式，并将切割边界考虑为一类边界条件，给出了时间域和空间域上切割温度和位移边界的确定方法；提出了“子母模型联合反馈修正算法”以提高计算精度，绘制仿真计算流程图和编制Fortran程序，通过算例对该算法进行了正确性及高效性的验证和比较分析（见第5章）。最后，将该方法应用于官地碾压混凝土重力坝孔口结构的仿真计算分析中（见第7章）。

（3）混凝土结构温度场计算的边界传热过程研究。边界条件是混凝土温度场和应力场仿真计算时相对复杂的定解条件，有必要对其进行研究。本书主要从以下3种确定混凝土边界传热系数的方法着手。

1）数值反演方法。引入基于遗传算法的反演计算方法并进行相应的改进，通过现场试验获得的温度数据对混凝土边界传热系数进行反演分析。

2）实验关系式。根据实验数据对对流传热实验关系式的参数进行拟合，另外拟合考虑辐射影响的计算边界传热系数的简单公式。此外，根据初步仿真计算需要，提出水管管壁等效传热系数的计算式，进行精度验证，并对影响因素（管径、壁厚、导热系数和流速）进行敏感性分析。

3）数值分析方法。对对流传热过程的边界层方程和定解条件，及经过相似变换后的层流方程和定解条件进行了阐述，为今后对流固耦合的研究提供一个思路（见第4章）。

（4）混凝土坝孔口结构裂缝成因与施工防裂方法研究。混凝土坝孔口结构的裂缝成因和防裂方法非常复杂，需要从混凝土和孔口结构两方面进行探讨。

1）温度是引起混凝土开裂的重要原因，但仅通过如内外温差、上下层温差和基础温差来描述温度对混凝土结构应力的影响是不够充分的，还需考虑其他变形差异的影响。为此，本书重点研究了混凝土结构的热胀系数差和自生体积变形差对混凝土施工期应力的贡献。

2）对混凝土孔口结构施工阶段的防裂措施和方法进行阐述和分析，其中主要内容有：

① 对表面保温力度问题进行探讨，并比较了干湿保温材料的保温效果；

② 对水管冷却的控制指标、冷却力度进行了相应的研究。此外，考虑到工程塑料冷却水管易破裂的现象，建立了塑料质冷却水管最大流速的估算方法。

3）根据混凝土坝孔口结构的特点，进行了具有针对性的分析（见第6章）。

（5）官地碾压混凝土重力坝边界参数及孔口结构施工防裂方法研究。在工程应用方面，本书依托官地碾压混凝土重力坝工程，根据现场试验温度数据，采用改进遗传算法（见第4章）对不同物盖条件下混凝土表面及内部水管边界传热系数进行反演分析，获取了仿真计算重要的边界参数。根据工程试验获得的热力学参数，采用子母模型联合反馈算法（见第5章）对工程典型坝段孔口施工期的温度场和应力场进行了仿真计算，并对泄流中孔、排水廊道以及闸门槽等典型孔口混凝土结构的开裂机理以及相应的裂缝类型进行了分析，然后通过多方案的抗裂特性仿真分析，针对性地提出了防止混凝土开裂的施工措施。