1、PDF外文： http:/ 第 1 页共 13 页 中文 6200 字 出处： Engineering Structures, 2008, 30(11): 3176-3185 周期性 静水压力作用下混凝土坝的 诊断 分析 R Ardito, G Maier, G Massalongo 摘要 本 文提出并研究可能造成年代久远的大型混凝土坝损害诊断 的 流程，可以概括如下。混凝土区域的 弹性 模量按传统意义上来说是一些参数，这些参数用来确认由于过去的物理化学过程或在极限荷载作用下造成的结构损伤。在非破坏性诊断试验中厂区的水 库水位年周
2、期性改变被认为是不太重要的外部影响。我们通常用雷达 来测量由于水库水位从最高降至最低所引起 的 下游面 的 位移，目前这些仪器在水坝工程中是很具有创新性的。显然由于 周期 热效应引起的可测位移所造成的不容忽视的影响已经被人们所关注，我们已开始通过坝 体内部的温度计按照一定的时间间隔来测量坝体温度，根据它们的参数 管理简化的热边界条件，超过一年就可以通过傅里叶级数来表示温度的时效性。最后，损伤诊断 要用最小化来得出 ，通过 弹性 模量，在测量和 计算所得的位移之间的一系列差异函数来计算，也可以在线性热弹性力学背景下进行 逆分析， 还可以通过随机扩展来验证所提出的计算方法。 关键词
3、：混凝土大坝；损伤诊断；热效应；雷达监控；随机处理； 逆分析 1. 前 言 目前 现存的一些重要的混凝土大坝特别 是 在欧洲和北美洲 地区 ， 经过 几十年生产服务已经存在了一些结构上的破坏。最常见的恶化形式是一种被称作硅酸盐反应的物理化学过程。 经过大约十年的潜 伏期和超过三十至四十年的活跃期在达到饱和之前，这个过程会造成 混凝土的刚度和强度的退化，并产生膨胀危害。 膨胀会提高混凝土的自具应力并导致坝体开裂。 在二十世纪八十年代后硅酸盐反 应才被人们逐渐 的了解，然 而在 多物理场耦合计算力学 领域中 和大坝工程中它的实 第 2 页共 13 页 &nbs
4、p; 际预测建模仍 存在研究型的挑战 ，见索引【 1,2】 。 除了硅酸盐反应或伴随着它的其他一些造成结构破坏的因素，其它的 一般都是极端的外部行为，像地震、校核洪水下的 静水荷载和周围地质系统包括坝基的缓慢造山运动。我们 很难 通过局部实验 查明和定量评估可能的 产生 后果，它包括混凝土的扩散开裂并伴随着 混凝土局部平均刚度和强度的降低 ，见索引【 3】 。 鉴于以上所提及的情形和它 们显而易见 的重要意义（不仅在科技上而且在社会和经济中），人们对 大型混凝土坝的诊断分析 研究的越来越多，即 以得 出结构损伤的本质和具体位置的方法 。 迄今为止
5、 ， 为大坝特征分析所提出的方法和进程可以分为以下几类：（ a）通过长期监测结果的赋值和与该大坝或相似大坝特征的比较得到 的 可靠性评价，见索引 【 6】；（ b） 混 凝土本构参数的 当地鉴定、 在扁千斤顶 （见索引【 5】） 作用下表面压力的分析 和通过测量技术测膨胀技术得到的深层次的了 解（见索引【 4】 ；（ c） 由震动达因（或者说是间或的轻微振动）产生的动态励磁，由加速计得到的测量值和基于线性动力学模态分析的 弹性 模量 提出的观点（见索引【 7】）；（ d）由快速、通常是临时性的水库水位的改变而产生的静水荷载，通过垂和准直器等仪器测得的位移量和 有限元模型得到的弹性模量的逆分析（
6、线性或非线性弹性分析如果接头滑动是不可忽略的），见索引【 8,9】；（ e）前文 提到的除了利用 周期性 水位变化 的 这些 技术 意味着设备的运行， 但 运行 的 费用很 便宜。 （ d）和（ e）之间的区别在于（ e）将热效应考虑在内， 热效应产生可测位移。在（ e）中，测得的位移包括一个由预应力混凝土的粘滞性质（蠕变行为）产生附加位移，这个附加位移一般对于六个月以内的静水荷载和热作用产生的位移影响很小（在此被忽略） 。 特征分析（ d）和（ e） 在以雷达和激光技术为基础的新实验仪器中使用 地 越来越频繁 也 越来越成功，这些技术是上文提到的传统的永久性监测仪器的
7、备用物。这些 技术 明显的优势在于： 潜在的更高的测量精度；通过激光和雷达仪器可以得到更多的实验数据。事实上这些数据包括 了 所测大坝下游面的精确图谱，见索引【 10】。然而， 全面特征分析 所有技术有以下几个明显的局限性： （ i） 无损 实验必须 在结构响应的塑性范围内 ，弹性模量才能被预估；（ ii） 刚度退化对可测位 第 3 页共 13 页 移 （敏感性分析可以证明）不产生影响的地方属于 坝体、坝内部和坝基 范围；（ iii）裂缝和接缝的渗漏及 加压进水和结构因素一 样是最基本的危害，它们很难通过全面逆分析来确定 ， 同时需要各种监测，最基本的
8、监测 是目视检查。这些情况在原位测试中常使 用 在必要的地方，像（ b）所提及的那样。 在本文中，如果雷达设备齐全并且它可以在六个月中测出大坝位移，那么以周期性 静水荷载为基础的诊断技术（ e）是可以研究出来的。 所要考虑的外部影响一般有水位从最高降至最低的波动和 由夏至冬的温度变化，在时间上来说这两种因素都是周期性的。在第 2 部分中，国际大坝委员会基准研讨会 【 11】 提到的混凝土重力拱坝被作为事例 ，我们 在通过几何学和材料性质来 它 的 同时 也 用有限元方法对它进行 建模。第 3 部分进行初步的热分析，它利用了年周期性的合理假设并由 简要的傅里叶级数展开进行了有效计算
9、。第 4 部分描述 了整体热弹性模型。第 5 部分包含 了 以大坝内部温度测量 为基础的 标准化程序的介绍和应用 ，它是由不同学者对混 凝土坝简化的热边界条件建立的评估公式。第 6 部分介绍了损伤诊断问题。逆分析程序 在数值上得以确认，它建立在已知虚拟实验数据模拟基础上。为损伤定量寻求的参数是一些分散在大坝区域的 弹性 模量，一般来说每一个都是。损伤鉴定一般是通过一批一阶优化（“信赖域算法”）处理方式进行。鉴于目标函数没有凸性，它的解决方案是受阻的，同时，为了避免局部最小化 我们要采用不同的初始化。 测量的随机不确定 性一般要考虑在内而且它们的评估结果一般由蒙特卡罗法随机量化。第 7 部分 是
10、 专门对已取得的成果和开放问题研究展望的总结。 特殊符号：粗体 符号代表矩阵和矢量；上标 T 表示转置；叠加小点表示相对于时间 t 的导数。 2. 参考案例及模型 本文所提出的特征分析程序将用下文所说 的实例 大坝来论述， 它 代表了 现今的 主要 技术 。该大坝（图 1）属于意大利 Piantelessio 水力发电厂，对于 2001国际大坝 委员会基准 ， 可见索引【 11】。它的横向拱顶 的不容忽视的上 游漂移证实了硅酸盐反应的存在， 目前（ 2007 年）这种位移仍在发生。在此所提及的结构是混凝土重力拱坝，它有以下特征：最大高度 80m；拱顶长 515m 位于海拔 1919m；水库最高水位 1917m；最小水位 1848m；混凝土体积 380000m。
