重大水工混凝土结构裂缝演变规律及转异诊断方法研究

本文针对重大水工混凝土结构运行期的裂缝问题，应用粗集理论、数据挖掘、 神经网络、小波分析、混沌理论、突变理论等前沿数学方法及断裂力学等力学方法， 以及数值仿真等数值模拟方法和逻辑诊断方法，结合实测资料，对运行期裂缝的成因、 演变规律以及转异诊断等方面进行了系统的研究。主要研究内容如下： (1)在研究逻辑诊断方法的基础上，采用故障树分析方法分析裂缝产生的可能 原因；据此提出了裂缝成因挖掘的粗集方法，对裂缝成因的潜在规律性和裂缝的主要 成因进行挖掘，分析裂缝产生的主要原因。 (2)概要阐述了温度场的仿真，研究了薄层单元和分布裂缝模型，应用数值仿 真分析方法，结合工程实际，分析了荷载对裂缝的作用效应；在对人工神经网络方法 与数据挖掘关系深入研究的基础上，提出了基于神经网络的裂缝不利荷载组合挖掘方 法，提取裂缝的不利荷载组合，并研制了三维荷载组合曲面图。 (3)用接触模型模拟裂缝，结合工程实际，应用数值仿真分析方法研究裂缝开 度和开裂深度随外荷载(水压、温度等)的演变规律，分析了裂缝演变的荷载效应。 (4)基于实测资料，综合应用小波分析理论和相空间重构技术，对裂缝开度随 时间的演变规律进行了研究，提出了基于小波分析理论和相空间重构技术的裂缝时变 规律分析方法，并对其可行性进行了工程实例验证。 (5)利用相空间重构技术重构裂缝时效变形的相平面，提出了裂缝时效转异点 的相平面识别法；并且基于突变理论和灰色系统理论，建立了裂缝转异诊断的灰色尖 点突变模型；并将以上方法和模型用于工程实际，由此对所提方法的可行性进行了验 证。 (6)应用断裂力学理论，对裂缝转异进行诊断，并探讨了混凝土断裂韧度的反 演分析方法；建立了反映荷载组合与应力强度因子之间关系的神经网络模型，反馈分 析裂缝的转异荷载，在此基础上，研制了应力强度因子的三维荷载曲面图以及相应的 二维平面图，提出裂缝转异荷载的空间预报模型；并通过实例验证。