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水工混凝土结构建造运行实时温控仿真分析技术 (技术)

[稿件来源]:材料所 [作者]:颉志强 [发布时间]:2021-03-25


  一、技术(产品)简介

大体积混凝土结构温度场和温度应力三维有限元仿真计算软件包Ckysts1.0,是在长江科学院大体积混凝土结构温度场和温度应力三维有限元仿真计算程序包(包括温度场程序3DUSTEMP、应力程序3DCRCPCG、及前后处理程序)基础上完善升级而成。温度场程序3DUSTEMP及温度应力程序3DCRCPCG是1992年为满足三峡工程建设相关研究的需要,由长江科学院材料所自主研发,经过了丹江口、三峡等国内一系列大型工程的检验。尤其在三峡工程中,该软件包完成了所有主体建筑结构(大坝、厂房、船闸、升船机等)的温控仿真分析,成果获各方一致认可和好评。经过近30年的发展和完善,该软件包已经发展成为一整套完全自主知识产权的大型水工数值分析工具,并实现了CPU+GPU的异构并行化。软件包先后应用于三峡、南水北调穿黄工程、丹江口大坝加高工程、隔河岩、水布垭、构皮滩、彭水、广西平班、广西长洲、沐若、向家坝、溪洛渡、乌东德、引江济淮、引汉济渭等大型工程的温控防裂研究及温控方案设计中,成果得到了委托单位的认可,并用于工程实践。


  二、技术(产品)特色

  2.1 技术特点

(1)丰富的单元库(1~3D协调元、非协调元、钢筋单元、锚杆单元等);

(2)具有多样的材料类型(弹性、粘弹性、弹塑性、粘弹塑性);

(3)自研“对称逐步超松弛预处理共轭梯度法(MSSORPCG)”求解器;

(4)自研“超级元”快速算法;

(5)自研高精度快收敛接触模拟算法;

(6)采用改进埋置单元算法,准确高效模拟冷却通水过程;

(7)自研JacobiPCG CPU+GPU异构并行求解器,千万级自由度耗时16s。

  2.2  特色功能

(1)环境方面:准确模拟全过程气温、水温、大风、日照、仓面小环境等因素影响;

(2)材料方面:准确模拟混凝土水化、硬化、徐变、干缩、自变及基岩材料特性;

(3)结构方面:准确模拟结构的各种接触面、分缝、键槽、配筋等;

(4)施工方面:准确模拟浇筑、保温、冷却通水、开挖、灌浆等施工过程及措施。

  2.2 技术适用范围

(1)设计阶段的防裂设计

根据施工进度计划,模拟混凝土结构浇筑过程,评估开裂风险,制定防裂指标及防裂措施。

(2)施工期实时跟踪分析

同步施工进度,动态跟踪仿真对象、施工进度、边界条件变化,适应性调整温控防裂措施。

(3)运行期工作性态分析及预警

结合监测资料,预测大坝温度、应力、变形发展趋势及潜在风险,为制定应对措施提供支撑。

  

  三、推广应用情况

该技术先后应用于三峡、南水北调、丹江口大坝加高、隔河岩、水布垭、构皮滩、彭水、广西平班、广西长洲、沐若、向家坝、溪洛渡、乌东德、引江济淮、引汉济渭等一系列大型工程的温控防裂研究及温控方案设计中,成果应用于工程实践。

典型案例一:三峡工程

三峡工程是世界上规模最大的水利工程。在三峡工程设计建造过程中,长江科学院运用该软件,完成了几乎所有主体建筑结构(大坝、船闸、厂房、升船机等)的温度、应力及防裂相关课题的研究,成果科学系统,具有很强的针对性和实用性,应用于工程实际,取得了重大技术、经济和社会效益,研究成果多次获国家及省部级科技进步奖。

典型案例二:丹江口加高工程

丹江口水利枢纽是南水北调中线水源工程。初期大坝于1958年动工兴建, 1974年竣工,坝顶高程162m,正常蓄水位157m。为满足南水北调蓄水调水需求,后期将坝顶高程加高到176.6m,水库正常蓄水位提高到170m。

丹江口大坝是在初期工程运行使用的条件下进行加高施工,其加高规模、大坝高度、技术难度在国内外罕见。1992年至今,长江科学院采用自主研发的仿真分析软件对大坝加高过程中的一系列技术问题开展研究,为大坝加高设计及运行安全提供了重要的科技支撑。同时,自主研发的仿真分析软件也在工程实践中得到检验。


  四、联系人及联系方式

联系人:颉志强

电话:13554084832

邮箱:xiezhiqiang@mail.crsri.cn


  五、技术(产品)照片及工程应用照片


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责任编辑:李竹