混凝土應變計組統(tǒng)一計算設計與實現(xiàn)

1、.混凝土應變計組統(tǒng)一計算設計與實現(xiàn)占亮亮花勝強（國網(wǎng)電力科學研究院/南京南瑞集團公司，江蘇省南京市 210003）摘要：分析了現(xiàn)有工程中混凝土應變計組存在的各種計算方法，通過面向對象思想抽 取不同計算方法的共同特征，統(tǒng)一設計及實現(xiàn)了各種應變計組的計算，通過設計數(shù)據(jù) 批量計算方法提高了計算效率。詳細介紹了混凝土應變計組計算功能模塊的程序設計 及整體實現(xiàn)過程，以及在工程安全監(jiān)測分析系統(tǒng)中的實際應用。關鍵詞： 應變計； 應變計組； 數(shù)據(jù)處理 ；快速計算1引言在各類工程中，由于應變計組儀器安裝、埋設方式不同和混凝土特性不同，其計算方式 也不一樣，應變計組計算是一個復雜、繁瑣的過程，為提高計算效率和屏蔽

2、各類工程中的計 算差異，設計一種抽象、統(tǒng)一的計算方法無疑是一種有效的方法，在南瑞 DSIMS4.0 系統(tǒng)中 的應變計組計算分析模塊就是秉承這種設計原則，設計出了可計算分析多種類型的應變計組 的功能模塊。目前，已有多個工程是基于此功能模塊進行應變計組計算分析。2混凝土應變計組概述“混凝土應變計組”是對在建筑物混凝土內部某部位，按照不同的方向埋設的一組應變 計（成員儀器）以及一支無應力計的總稱?；炷翍冇嫿M的成員儀器可以是 19 支不等， 沿空間不同方向布置，測量各自方向的實際應變，因此每支成員儀器都具有方向屬性。無應 力計是必需的，它測量非應力因素引起的應變，例如溫度變化引起的脹縮應變，混凝土

3、自身 體積變化等，無應力計沒有方向屬性。混凝土應變計組直接測得的是應變量，但它的最終目的是為了了解埋設部位的應力狀 態(tài)，這個應力狀態(tài)是由沿空間三維坐標軸方向的正應力值確定的，因此應變計組的最終目的 歸結為計算空間坐標軸方向的應力（13 個不等）。理想線性彈性材料的應力 （MPa）和應變 （）符合如下關系式：o = E ´ s其中常數(shù) E（MPa）是材料的彈性模數(shù)。 但是，混凝土材料并非線彈性材料，它的應力應變關系十分復雜，由于混凝土的彈性模數(shù)隨著齡期的增長不斷發(fā)生變化，而且混凝土還具有徐變特性，因此其應力應變關系不僅同 加載時混凝土的齡期有關，而且同加載的持續(xù)時間也有關系。3分析混凝

4、土應變計組主要計算步驟混凝土應變計組計算是一個復雜的過程，首先需計算各坐標方向的單軸應變，然后根據(jù).;單軸應變計算坐標方向的主應力，再計算其剪應力，主要步驟可分為以下幾項：3.1計算應力應變每支成員儀器的總應變（最終值）減去無應力應變（無應力計最終值）得到每支成員儀 器的應力應變。3.2平衡、修正應力應變對欲做應變平衡的平面進行應變平衡計算，計算的方法是：把互相垂直的兩支成員儀器 的應力應變分別相加，再把兩個和相減，得到不平衡量，然后分配，得出修正以后的應力應 變。3.3計算坐標方向的單軸應變根據(jù)應變計組儀器支數(shù)及埋設方向不同其計算方法也不同，主要有以下幾種：（1） 單向情況：空間坐標系中只有

5、一個坐標軸方向設有有效儀器 單軸應變 m 就是應力應變 s，即m = s（2） 平面形變問題：空間坐標系中有兩個坐標軸方向設有有效儀器 設 1 和 2 代表平面內互相垂直的兩個坐標軸方向s M 1 = C1 ´ (s S 1 + C2 ´ s S 2 )s M 2 = C1 ´ (s S 2 + C2 ´ s S 1 )其中C1 = (1 - m )(1 + m )(1 - 2m )C2 = m(1 - m ) 為混凝土泊松比。（3） 平面應力問題：空間坐標系中有兩個坐標軸方向設有有效儀器 設 1 和 2 代表平面內互相垂直的兩個坐標軸方向s M 1 =

6、 C1 ´ (s S 1 + m ´ s S 2 )s M 2 = C1 ´ (s S 2 + m ´ s S 1 )其中C1 = 1 (1 - 2m ) 為混凝土泊松比。（4） 空間問題：空間坐標系中三個坐標軸方向均設有有效儀器s M 1= C1´ s+ C2´ (s S 2+ s S 3 )S 1s M 2s= C1= C´ sS 2´ s+ C2+ C´ (s S 1´ (s+ s S 3 )+ s)M 31S 32S 1S 2其中C1 = (1 - m )(1 + m )(1 - 2m

7、)C2 = m(1 - m ) 為混凝土泊松比。3.4計算坐標方向的徐變應力徐變應力計算分為兩種方式：徐變法計算應力和松弛法計算應力。（1） 混凝土瞬時彈模計算根據(jù)不同工程的混凝土特性，其混凝土瞬時彈模計算公式和計算參數(shù)都有所不同。T（天）齡期混凝土瞬時彈模表達式主要有以下幾類：0復合指數(shù)公式，其表達式為 E( ) = E (1 - e- a b )雙曲線公式，其表達式為E( ) =E0 C +指數(shù)公式，其表達式為E(t) = a ´ (1 - b ´ ec´t - d ´ e f ´t )徐變度計算方法主要有以下幾類：查表方式： 齡期為 t，

8、持續(xù)加載時間為 （天）的混凝土徐變度 C 或松弛系數(shù) L 可以通過查二維表獲得，二維表的參數(shù)有 t 和 兩個，不同類型的混凝土二維表中的數(shù)據(jù)不同。 擬合公式：通過擬合公式計算徐變度。 通過以上幾項計算，可以最終公式計算出混凝土瞬時彈模，其表達式如下：E (t, ) = 1 C(1 E(t) + C)（徐變法）或EL (t, ) = E(t) ´ L（松弛法）（2） 徐變法計算應力：1）每個測次的應力 i+1 都是上一測次的應力 i 再加上一個應力增量 di：o i+1 = o i + do i2）而應力增量又等于應變增量 di 乘以瞬時有效彈模 EC ( t , )：do i = d

9、si ´ EC (t, )t 為 i 測次對應的齡期， 為從 i 測次時間到 i 測次與 i+1 測次中點時間的持續(xù)時間長度。3）應變增量等于第 i 測次與第 i+1 測次的平均單軸應變減去歷史累積應變 dsem：ds i = (s M i + s M i+1 )2 - ds sem4）歷史累積應變是歷史上每個測次貢獻的累加值：ds sem = åds sem j其中，j 從基準測次遍歷到 i-1 測次。5）歷史上第 j（j < i ）測次應變的貢獻為：ds sem j = do jEC (t, )其中，t 為 j 測次對應的齡期， 為從 j 測次時間到 i 測次與

10、i+1 測次中點時間的持續(xù)時 間長度。6）上述計算步驟必須追溯到最初的基準測次，即必須首先得到應力 1 和應力增量 d1。o 1 = 0do 1= (s+ s M 2 )2´ E( t, )M 1C其中 t 為基準時間對應的齡期， 為從基準時間到基準測次與下一測次的中點時間的持 續(xù)時間長度。（3） 松弛法計算應力：ds1 = s M 1ds i = s M i - s M i-1（i > 1）o i = åds j ´ EL (t, )其中：t 為 j 測次對應的齡期； 為從 j 測次時間到 i 測次時間的持續(xù)時間長度；j 從基準測次遍歷到 i-1 測次。4

11、設計與實現(xiàn)混凝土應變計組統(tǒng)一計算方法通過上述混凝土應變計組計算步驟分析，我們可以將每個計算步驟分為不同的計算功能模塊進行計算處理。 計算功能模塊設計原則有如下幾點：（1）計算方法、算法易擴展；（2）數(shù)據(jù)計算過程清晰、準確且高效；（3）功能模塊簡單易維護；根據(jù)以上設計原則，混凝土應變計組計算的主要功能模塊及類圖結構設計如下。4.1混凝土應變計組類型抽象設計混凝土應變計組類型在不同工程應用中類型不同，不同應變計組組合其類型也不同，常 見的有以下幾種：一般類型、三棱錐型，其中一般類型中可分為不同的組合方式，三棱錐型 又可分為三棱錐二支組型、三棱錐三支組型、三棱錐六支組 a 型和三棱錐六支組 b 型，

12、為保 持各種類型的共性和擴展性，編程時采用面向對象方法，對混凝土應變計組類型進行抽象設 計，其程序類結構圖如圖：“混凝土應變計組類型類圖”。圖：混凝土應變計組類型類圖從混凝土應變計組類型類圖中可以看出 StressCalGroupBase 是混凝土應變計組類型抽象 基類，它抽象了各種混凝土應變計組類型的共同屬性和操作函數(shù)，如：混凝土基準時間和混 凝土埋設時間等屬性，計算單軸應變、計算主應力及主應力余弦等函數(shù)。其它混凝土應變計 組類型派生類中根據(jù)各自類型不同實現(xiàn)具體的計算方法。此結構對于上層應用時，調用接口 始終保持一致，而不用關心具體計算方法的實現(xiàn)，從而統(tǒng)一了對外計算接口，簡化了應用的 復雜度

13、。依照此結構，以后要擴展新的混凝土應變計組類型時，只需從混凝土應變計組類型基類 派生一個新的類，并實現(xiàn)相應的計算方法即可，對于上層應用無需任何更改。4.2應力計算方法設計由于松馳法和徐變法的計算主要是徐變應力的計算方法不同，但其它值計算基本相同，所以可以將應力計算方法類結構設計如圖：“應力計算方法類圖”。圖：應力計算方法類圖應力計算方法類圖中 StressCalBase 是應力計算方法的抽象基類，它抽象了應力計算方 法中的共同屬性和操作函數(shù)，如計算瞬時彈模的參數(shù)和埋設時間等屬性，獲得混凝土彈性模 量和計算應力的方法。StressLoosenCal 和 StressStepVarCal 分別是松

14、馳法和徐變法兩種方法， 其中各自實現(xiàn)相應的計算方法。同理，對于上層應用時，調用應力計算的接口一致，簡化了 上層應用的復雜度。4.3應力計算中歷史累積應變批量計算設計徐變應力計算中歷史累積應變計算是一個復雜、長耗時的過程，早些時候是采用逐個計 算測值歷史累積應變的計算方法，如圖“逐個計算測值歷史累計應變流程圖”。由于每個測 值歷史累積應變計算重復讀取大量的歷史數(shù)據(jù)，為了減少歷史數(shù)據(jù)的多次讀取單次使用，在 徐變應力計算類（StressStepVarCal）中，采用了批量計算法，同時進行一批測值歷史累積應 變值的計算，增加單次讀取多次使用的過程，提高了計算效率。 其批量計算流程圖如：“批 量計算測值

15、歷史累計應變流程圖”順序讀取計算時間之前的歷史數(shù)據(jù)計算某個測值歷史累積 應變順序讀取當前數(shù)據(jù)時間 之前的數(shù)據(jù)累積計算歷史應變值保存歷史累積應變值計算所有測值歷史累積應變按時間排序的待計算的歷史數(shù)據(jù)集是否有下一條數(shù)據(jù)是否當前數(shù)據(jù)時間之前的數(shù)據(jù)集是否有下一條數(shù)據(jù)否是計算完成圖：逐個計算測值歷史累計應變流程圖順序讀取計算時間之前的歷史數(shù)據(jù)批量讀取要計算歷史累積應變的測值批量計算測值歷史累積應變順序讀取當前數(shù)據(jù)時間 之前的數(shù)據(jù)批量計算每個測值 歷史累積應變保存每個測值歷史累計 應變值計算所有測值歷史累積應變按時間排序的待計算的歷史數(shù)據(jù)集讀取的待計算歷史累積應變的測值放入某集合 中,集合最大個數(shù)為20批

16、量計算集合中數(shù)據(jù)是否為空否否當前批量計算集合數(shù)據(jù)中最大時間之前的數(shù)據(jù) 集是否有下一條數(shù)據(jù)是是計算完成圖：批量計算測值歷史累計應變流程圖5 應用舉例（1）工程概況小灣水電站位于云南瀾滄江中下游河段，是瀾滄江中下游河段的“龍頭水庫”。小灣水電站具有壩高、庫大、河面寬、地形單薄、高水頭、強地震、大泄洪功率、地質構造復雜等一系列特點。其工程安全監(jiān)測項目全，測點數(shù)量多，監(jiān)測范圍廣，安全監(jiān)測系統(tǒng)極為龐大， 是目前世界上在施工期開工建設的規(guī)模最大的水電站工程安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)，此系統(tǒng)采用 了南瑞最新版的 DSIMS4.0 軟件，完成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)加工處理、數(shù)據(jù)分析和系統(tǒng)綜合管理。在監(jiān)測系統(tǒng)中涉及大量應變計儀

17、器的監(jiān)測，其中應變計組種類繁多，計算的工作量也非 常大，為此南瑞 DSIMS4.0 系統(tǒng)采用統(tǒng)一應變計組計算方法，提供自動計算任務，完成所有 應變計組的計算分析。（2）應變計組計算相關設置混凝土參數(shù)設置在 DSIMS4.0 工程選項中設置當前工程的混凝土類型，其設置的信息如圖“混凝土參數(shù) 設置圖”。圖：混凝土參數(shù)設置圖應變計組信息設置在 DSIMS4.0 中新建一個應變計組類型的測點，即可在算法設置中設置應變計組各方向 的儀器、埋設時間、基準時間等其它信息，以大壩 6#壩段某組應變計組為例，其設置信息 如圖“應變計組屬性設置圖”。圖：應變計組屬性設置圖（3）手動或自動進行應變計組計算為方便應變計組計算，在 DSIMS4.0 系統(tǒng)中提供了手動和自動兩種計算方式。手動計算 在系統(tǒng)工具中手動選擇某些應變計組即可進行計算，自動計算是將要計算的應變計組做成一 個的定時任務，系統(tǒng)到達