水工混凝土结构建造运行实时温控仿真分析技术

任务来源：

技术领域：水利工程建设与管理

技术来源：自主研发。计算机软件著作权，软件名称：混凝土结构温度场及温度应力仿真计算软件(简称:Ckysts1.0)V1.0 (登记号：2019SR0268528)。

技术原理

该项技术实现了大型水工混凝土结构施工及运行全过程仿真的精细化模拟，实时跟踪建造过程，即时分析结构性态，动态响应施工现状，指导现场合理有效的调整施工进度和温控措施等技术手段。技术中包含的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)，可考虑环境、材料、结构、施工等各种因素,不仅能实现大坝建造全过程仿真分析，也可进行混凝土及岩土结构常见问题的精细化模拟计算，以及复杂接触问题(灌浆缝面、诱导切缝面、键槽等) 的接触非线性计算分析。该技术已完成了基于CPU+GPU集群的并行化改造, 打破了大规模、长耗时的计算效率瓶颈。

技术特色

（1）环境方面：考虑气温、水温、大风、日照等。 （2）材料方面：考虑混凝土水化热、硬化、徐变、干缩、自生体积变形特性以及基岩各类非线性材料特性。（3）结构方面：考虑材料分区、配筋、各种施工缝、灌浆缝面、诱导切缝面、键槽等复杂接触面。（4）施工方面：考虑开挖、切缝、施工浇筑、保温、冷却通水、灌浆影响因素。（5）效率方面：采用CPU+GPU异构并行求解技术，实现了千万自由度规模问题的快速求解。

技术指标

（1）拥有丰富的单元库 (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、黏弹性、弹塑性、黏弹塑性)。 （3）自主研发 “对称逐步超松弛预处理共轭梯度法改进迭代格式 (MSSORPCG)” 求解器快速算法。（4）自主研发 “超级元” 快速算法。（5）自主研发高精度快收敛接触模拟算法。（6）拥有自主知识产权基于 JacobiPCG 的 CPU+GPU 异构并行求解器, 千万级自由度问题计算单步耗时16s。

应用范围及前景

适用于水工混凝土结构全生命周期的温度、湿度、应力、变形时空分布的仿真分析、防裂措施优化分析、结构破坏分析以及混凝土结构常见问题的精细化模拟等计算分析。 典型应用案例：案例1：三峡工程。该技术完成了对三峡工程所有主体结构 (大坝、厂房、升船机等) 及细部结构的温控仿真分析, 成果应用于工程实践，获各方一致认可和好评。案例2：丹江口大坝加高工程。该技术完成了 “十一五” 国家科技支撑计划项目南水北调工程若干关键技术研究与应用——丹江口大坝加高工程关键技术研究：新老混凝土结合问题，以及丹江口大坝加高工程相关课题20余项；并在2017年进行的丹江口水库蓄水试验大坝运行状态研究中，对典型坝段进行了细致的实时跟踪反馈仿真分析, 其分析成果与监测资料进行同步对比,复核效果良好。案例3：乌东德水电站工程。该技术完成了乌东德水电站拱坝温控仿真计算分析研究，在此基础上优化温控设计方案，并再次进行了采用低热水泥混凝土全坝段温控仿真计算项目，为大坝施工安排提供了重要技术支撑，取得了良好效果。案例4：阿尔塔什水利枢纽工程。该技术完成了新疆阿尔塔什水利枢纽工程面板混凝土防裂研究项目，技术成果对面板混凝土抗裂设计、面板施工期温度控制给出了建设性意见，得到了业主方的认可和好评。案例5：大渡河猴子岩水电站工程。该技术完成了大渡河猴子岩水电站高面板坝面板混凝土抗裂性能研究技术服务合同项目，技术成果对混凝土面板施工期温控、运行期防裂给出了针对性的措施建议，研究成果被业主方认可采纳。

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