基于C-S-H凝胶的混凝土徐变机理及多级预测模型研究

徐变是混凝土的固有特性，它对混凝土结构的影响效应贯穿从施工至整个服役期，是造成大跨度预应力混凝土桥梁等结构预应力损失、变形显著增加、内力重分布的一个主要原因，也是进行在役混凝土开裂损伤预估的重要参数。混凝土结构物可持续的发展战略对混凝土耐久性提出了更高要求。虽然混凝土材料的宏观性质迥异，究其本质是由微观尺度上的材料特性决定的。随着科技的发展，水泥基材料的微观表征测试及模拟，特别是在纳米尺度的研究上有了长足的进步，有助于探明材料宏观性能的相应机理、构造本构模型、表征并评价力学性能等。 本项目应用纳米压痕技术对不同水灰比硬化后的水泥净浆进行测试，提出采用最大似然估计方法对高斯混合模型进行解卷积分析，对主要水化产物C-S-H凝胶进行分相，计算各相的压痕模量、压痕硬度、体积百分率。运用微观力学方法计算出基本组成单元凝胶颗粒的微观力学性能和堆积密度，描述凝胶颗粒在三相水化产物中的堆积方式，讨论水灰比的不同在微观尺度上的表现。结果表明：对于不同水灰比，凝胶颗粒基本力学性质较为稳定，说明凝胶颗粒是C-S-H凝胶的基本组成单元，但其不同的堆积密度形成了不同的凝胶相及其相应的力学性能。水灰比的影响主要体现在凝胶相的层面上，而不是凝胶颗粒，其决定了C-S-H凝胶相的体积百分比。本项目研发了能够控制温湿度、并连续测试数周的混凝土早龄期拉伸徐变测试装置，并能够测量直接拉伸强度和拉伸弹性模量。对测得的拉伸徐变进行模拟，采用现存模型对数据进行验证，认为现存模型不能够精确预测混凝土早龄期拉伸徐变。根据实测拉伸徐变数据对现存模型进行修正，建立了更能代表实际工程情况、用于混凝土结构物应力计算的拉伸徐变模型，提供了可用于结构物应力计算的松弛模量。同时建立基于水化度的早龄期混凝土拉伸徐变流变模型，通过热重分析得到水泥浆体的水化程度,利用特定龄期的徐变试验结果确定模型的计算参数，实现对其它龄期拉伸应变进行预测。结果表明，由于早龄期混凝土的水化程度发展较快，拉伸徐变对加载龄期非常敏感，加载龄期越早，混凝土的徐变度越大，需在模型中采用特殊参数考虑这一特征。上述研究成果将在很大程度上推动理解混凝土拉伸徐变机理、建立合理预测模型、准确预测结构物混凝土应力发展及合理评估其开裂风险。 2100433B

由于对工程结构物的性能有较大影响，徐变一直以来都是混凝土结构与材料研究的重点和难点课题之一。但由于徐变的复杂性，国内外尚未对其产生机理达成共识，特别是从微观尺度上的研究十分有限。考虑到影响混凝土宏观性能的机理大都发生在微米、纳米级别上，本项目从微观本源上探究徐变发生机理，在此基础上建立预测模型。.本项目拟从下述方面展开研究：a）纳米尺度上C-S-H凝胶体徐变的直接测量及分析方法；b）材料、环境、荷载变量对C-S-H凝胶体徐变行为的影响规律；c）以C-S-H凝胶体为最小单元的多级徐变预测模型。.本项目的研究成果将为进一步研究其他类型混凝土的徐变行为提供理论基础及先行研究方法；对探索从周期短的微观试验研究来推知大型结构物长期服务性能的研究方式具有重要意义；为铁路、公路桥梁设计规范中桥梁变形、预应力损失等的相关计算参数修订提供指导。

由于风电场发电功率受风速、风向、地理、气象等多方面因素的影响，既具有时间相关性，也具有空间相关性，单一的预测模型达不到预期效果。本项目以非平稳变化的时间、空间的风速序列数据为研究对象，建立一个具有泛化能力的最优加权组合模型，给出预测结果误差评价指标；利用空间相关法，建立基于扩展空间分布的区域性电网风电场的输出功率等效模型和算法。研究提出一种根据奇异点局部奇异性信息对来自于风电数据采集控制系统的错误数据进行辨识纠错的方法。针对非平稳风速信号中产生的幅值突变和频率突变，给出小波变换系数模极大值检测算法。深入的研究区域性电网中风电场输出功率预测值随时间渐变和突变的基本规律，探索将风力发电功率预测和负荷预测相结合的基本规律，设计开短期风电功率预测软件，以确定风电在满足系统一定可靠性水平下的备用容量，以制定科学的发电计划，优化发电机组的开机组合，为风电场并网安全经济运行提供科学决策依据。

由于风能本身的间歇性和不确定性，采用单一预测方法所得到的风电功率预测结果的误差很大，无法满足电网安全经济运行的需要，项目针对风速序列随时间、空间呈现非平稳性变化的特征，提出了一种基于经验模态分解(EMD)和支持向量机(SVM)的短期风电功率组合预测方法，其预测误差比单一模型降低了5%~10%，有效地提高了短期风电功率预测的精度，对预测结果的误差进行了不确定性分析，给出了预测结果误差评价指标。在深入研究风电场输出功率预测值随时间空间变化的规律的基础上，建立了一种考虑风电场风机间的排布和尾流效应的功率预测模型，导出了各个风机间的风速相关矩阵和输出功率值，与仅采用统计算法的功率预测相比，预测精度的均方根误差可以减小5%，能进一步改善预测效果,将风电场输出功率的不确定性转化为相对量化的确定性关系。 针对风电场内不同机组处风速分布不均匀问题，考虑尾流效应与风的空间分布特性，提出了一种适用于永磁直驱变速机组风电场动态等效的多机表征方法，通过模糊聚类算法将具有相近运行点的风电机组划分到同一机群，最后通过多个表征机群的等值机组的组合，建立基于扩展空间分布的风电场输出功率等效暂态模型，该模型能够反映风电场输出有功/无功、频率和电压的动态特性。在此基础上，提出了一种新的永磁直驱风电机组频率-转速协调控制策略，根据风电机组功率的变化率调节转速控制参数，使风电机组获得较好的频率响应能力，能够有效减少风电机组的转矩突变和频率波动幅度，避免系统频率的二次波动，以获得较好的转速恢复特性。 针对非平稳风电数据中产生的幅值和频率突变，研究提出了基于小波模极大值的奇异点辨识方法和基于自回归滑动平均法的数据重构算法，为功率预测提供可靠性的数据源。开发一套基于组合预测方法的风电功率预测系统，该系统主要包括数据通讯、数据处理、预测模型、误差分析、预报输出等主要功率模块，具有一定的工程实用性，可以辅助制定合理的发电计划，优化开机组合，为风电场并网安全经济运行提供科学决策的依据，具有较好的应用前景。 项目研究期间，在国内外期刊发表相关研究论文11篇，其中被SCI收录1篇、EI收录10篇，获得国家发明专利1项、国家版权局授权计算机著作权15项。培养博士生1名、硕士研究生6名，培养指导国家大学生创新计划本科生学生3名。参加国际、国内会议6次，担任会议分会主席2次，作大会报告和分会场报告3次。 2100433B