基于施工仿真的软基上水工结构优化设计方法及应用研究

Hydraulic structures in plain areas are mostly built on soft foundation. One of important behaviors of soft foundation is that the deformation varies with time and has close relation with construction. Moreover, the contact problems are obvious. In the past, with restrictions of calculation methods and corresponding technologies, the influence of construction is neglected in many numerical analyses, such as structural strength, stability and health prediction, so the accuracy of numerical calculations is affected seriously.In this research, based on mostly used numerical algorithm currently, the simulation method with consideration of time effect is proposed, then some key problems in structural contact and cracking prevention can be solved, and the system of optimizing designing methods with consideration of construction for structures on soft foundation is established. Main innovative works are listed as follows: ①Based on existing algorithm for soil viscosity or consolidation, the method considering time effect of soft foundation and structure simultaneously is proposed; ②Taking ship lock as one of typical structures, the mathematical model for structural optimizing design is built and multi-objective optimizing method including the influence of construction is presented; ③Stress prediction method of concrete based on simulation and field data is propsed, and problems in cracking prevention of concrete structures on soft foundation are solved. This research has significant values of theoretical research and engineering application for improving structural analysis and ensuring construction quality.

平原地区的水工建筑物多建于软土地基之上，软土地基的一个重要特性是变形随时间逐步变化、与施工过程密切相关，且接触问题也较为明显。以往由于受到计算方法和技术限制，在结构强度计算、稳定分析及健康预测等领域的诸多计算中回避了施工过程的影响，从而严重地影响了数值分析的准确度。研究拟在目前流行的数值算法基础上，提出考虑时变效应的仿真分析方法，解决施工仿真中混凝土开裂防控和结构接触等关键技术问题，建立考虑施工仿真的软基上结构优化设计方法体系。主要创新工作有：①在现有考虑土体粘性、固结等时变算法的基础上，提出同时考虑软基和结构时变特性的仿真分析方法；②以船闸结构为例，建立软基上结构优化设计数学模型，提出考虑施工仿真的多目标优化设计方法；③提出基于仿真分析、现场实测数据的混凝土应力预测方法，解决软基上结构混凝土裂缝防控问题。研究对提高软基上结构分析水平、确保工程施工质量具有重要的理论研究意义和工程应用价值。

平原地区的水工建筑物多建于软土地基之上，软土地基的一个重要特性是变形随时间逐步变化、与施工过程密切相关。以往的研究由于受到计算方法和技术限制，在结构强度计算、稳定分析及健康预测等领域的诸多计算中回避了施工过程的影响，从而严重地影响了数值分析的准确度。. 提出了修正剑桥模型主要弹塑性参数的迭代协调处理方法，能够有效地提高计算的精度；采用最近点映射法推导了修正剑桥模型的弹塑性应力积分方程，简化了模型在有限元计算中的应用；推导了半无限大软土地基粘弹性变形公式，为扩展规范计算方法奠定了基础。分析了含老化系数 Kelvin 模型的徐变柔量函数，构建了基于状态变量的广义 Kelvin 模型徐变递推求解公式，可在无应力历史存储条件下精确求解混凝土徐变问题；结合连续阻尼谱法，实现了徐变模型在三维有限元中的较精确计算。提出了子结构-半解析法和混凝土徐变与土体固结联合分析方法；通过结构几何形状的参数化模拟，利用仿真计算方法作为结构分析工具，自动形成计算数据文件，将规范的限制要求简化为数学约束条件，建立了软基上结构优化设计数学模型，实例计算表明优化方法可行、有效。研究了寒冷环境下冻融循环对混凝土结构的破坏机理，提出了考虑引入气泡的大小和空间分布的引气水泥基材料冰冻过程计算模型和利用CT图像研究冻融引起的细观损伤对水工混凝土宏观断裂性能影响的方法，有效地模拟了混凝土宏观性能的降低。采用现场监测数据与仿真计算技术相结合方法，提出了施工现场解决混凝土裂缝的新思路，在江苏软基上船闸工程应用，取得了较好的效果。. 本项目主要研究成果已在学术期刊上发表3篇SCI论文、5篇国内核心期刊论文；2篇国内核心期刊待刊论文；已经授权5项国内发明专利，正在受理3项国内发明专利；获中国航海学会科学技术三等奖1项；培育毕业了6名博士和11名硕士研究生；分别进行了7次国际学术交流。目前尚有5篇与本项目研究有关的论文正在投稿中（SCI刊源）。