水工结构分析论文集
董哲仁  著

内 容 提 要

序

    董哲仁教授的新著《水工结构分析论文集》即将付梓，作者索序于我。我读了文稿后，欣然愿为之写几句话。
    看到文稿，把我的记忆带回到20余年前的一天，作者带着一叠科研报告和论文来我办公室，讨论“钢衬钢筋混凝土压力管道”的结构分析方法问题，这是我们第一次见面。那时，我国刚开始研究这种混合型管道，许多问题尚未解决。当时他就建议三峡工程应采用这种新结构，使我感到他身上具有中国青年科学家特有的热情奔放、锐意进取的精神。后来，我了解到他1966年清华大学毕业后，做过12年设计、施工工作，积累了工程实践经验；1978年科学春天重临祖国大地，他及时考入中科院研究生院深造，成为我国实行学位制后授予的第一批硕士；其后进入中国水利水电科学研究院工作，并获得工学博士学位。当时。我国百废俱兴，水利水电建设
蓬勃发展，处处呼唤科技。他深感时光宝贵，遂废寝忘食，争分夺秒地工作，完成了一批科研项目，发表了许多论文，把在“浩劫”中荒废的时间补了回来。他是同辈中的代表人物，一位贡献突出的中年科技专家。
    80年代中，国家选派他去美深造，研究的领域是钢筋混凝土非线性有限元，这是国际上计算结构力学的一个前沿领域。他改进了数学模型，开发了应用程序，并用于工程实践，论文发表于美国著名学术期刊上。回国后，出版专著《钢筋混凝土非线性有限元原理与应用》，作为向祖国的汇报。这是我国在这个领域中较早也是较完整的一本专著。其后，作者更加锐意进取，发展钢筋混凝土非线性理论，致力于建立大型钢衬钢筋混凝土压力管道的计算体系，并首次应用于三峡工程的实践中，在迭代计算、结构优化、裂缝控制、极限承载力和安全准则等多方面做出了贡献。这些成果后来总结成他的第二本专著《钢衬钢筋混凝土压力管道设计与非线性分析》，部分成果列入了我国新近修编的《水电站压力钢管设计规范》。
    作者还承担了一批国家科技攻关和国家自然科学基金项目，得到很多成果。研究他的工作，我认为有几个特色：
    首先是有鲜明的创新意识。创新是科技进步的灵魂。科技人员在工作中身体力行坚持创新是最重要的。作者工作的主要特色就是敢于创新和锐意创新。仍以压力钢管为例，有的同志认为采用传统的钢管，设计简便，也不多费钢材，但作者能越出传统的技术经济分析范畴，指出新的混合衬砌不仅在减薄板厚、降低对材质要求、减少制作和安装困难等方面有利，更由于将钢衬和钢筋混凝土两种性质迥异的材料组合受力，而且各取合适的安全系数后，使几种材料的缺陷在同一断面出现的概率大为下降，从而大大降低压力管道发生毁灭性事故的风险。三峡工程大坝专家组赞同这个观点，最终选定采用，就是个例子。
    作者有锲而不舍的攻关精神。新型联合结构的三维仿真分析难度很大，不仅要考虑联合承载，还必须考虑钢筋混凝土的开裂、开裂后的非线性性质、裂缝的控制、变温影响和坝体作用等。对此，作者能知难而上，锲而不舍地探索，把开裂混凝土合理简化为正交各向异性体，推导了分析公式，为工程界普遍采用。这一方法在国内发表于1986年，1990年发表于ASME上，比俄国B·M·索科洛夫导出类似公式要早3年。作者是在我国水电工程中采用非线性有限元分析的开拓者之一。
    第三是作者重视理论与实践的结合、数模与物模的结合。他研究的课题是工程设计中遇到的问题，他提出的理论和开发的程序应用于具体工程，包括三峡、李家峡、龙滩、五强溪等大型工程，也包括依萨河二级引水式电站等地方工程(后者水头达994m，已建成发电)。
    作者开始科研生涯时，做的是实验应力分析，以后转入数值分析，他能很好地将两者结合起来，曾尝试建立云纹法与有限元法结合的杂交方法。他以仿真模型试验为基础，推导过一些准理论公式。至于对于非线性本构关系模型的改进，更以材料试验为基础提出。我非常赞同这一做法和观点。
    时光荏苒，20余年一瞬而过。这次作者又来到我的办公室，送来了这本论文集的清样，这是从他论文中选录的30篇文章，也是他20余年勤奋工作成果的代表。在这些论文中，没有急功近利的浮躁之气，有的是对科学精神的不倦追求，这使我十分欣慰。我对作者的成就表示祝贺，也乐为之作序。

                                                             潘家铮
                                                              2002年lO月8日

前 言

    水工结构分析是水利水电工程学科的重要学术领域。其主要任务是研究在各类荷载作用下，处于各种复杂边界条件下水工建筑物的强度与稳定的计算分析理论。自20世纪70年代以来，随着计算结构力学及其他应用力学的发展，特别是随着计算机技术突发猛进的发展，水工结构分析理论方法出现了重大的跨越式发展，学科面貌焕然一新。在此期间，正值我国水利水电建设大发展时期，复杂的工程难题需要科学的理论方法。在这样的特殊机遇下，我国水工结构分析学科有了引人瞩目的突破。我国学者在这个领域的贡献与发达国家相比毫不逊色。
    这本论文集收录的水工结构分析论文，从一个侧面反映了这个学科的发展历程和崭新面貌。论文集作者长期从事水工结构分析理论研究，在国内外学术与技术杂志上发表了大量的研究论文。本书从中精选论文30篇，内容集中于水工钢筋混凝土结构非线性有限元模型，水电站新型压力管道的计算理论，水工结构数值分析方法，结构优化设计方法应用，特殊结构物混凝土裂缝计算模型，实验应力分析方法与应用等，大多集中于水工结构分析方法，不少成果曾在大型国际研讨会上进行过交流，其中一些成果已经纳入我国的工程设计规范。近年发表的论文，涉及到水资源管理信息化，水体的生态方法修复技术，防洪减灾的技术策略等，反映了作者的研究领域的进一步拓展。这些论文大都是创新成果，同时又有鲜明的工程应用性，可供科研、设计人员及大学研究生参考。
    需要说明的是，收录论文集的文章都是原文照录，因此在当时通用的个别名词或计量单位仍然保留原貌，未按现在习惯用法或通用标准修改。
    当一本新书出版之际，作者对于研究工作及论文撰写中的每一位合作者心存无比感激之情，合作及友谊是科学事业发展永恒的活力源泉。作者还要为帮助整理、翻译和编辑文稿的我的同事黄国芳女士和曾向辉先生，出版社的王勤先生和王鹏先生表示崇高的敬意，由于他们的辛勤工作使论文集得以成书。
    国际著名水电工程专家，中国工程院副院长，中国科学院、中国工程院院士潘家铮先生慨允撰写序言，作者谨表示由衷的谢意。
    文集内容难免有错误或不当之处，敬请读者指正。

                                                             作 者
                                                             2002年8月于北京木樨地

目 录

序
前言
下游坝面压力管道混凝土正交异性状态应力汁算
内水压力作用下钢壳与混凝土联合受力的研究
云纹图像的有限元法处理
苏联采用下游坝面式钢衬钢筋混凝土高压输水管道
下游坝面压力管道的合理外形及开裂模型光弹性应力分析
下游坝面压力管道的优化设计
下游坝面压力管道的强度安全系数
钢衬钢筋混凝土压力管道的非线性有限元分析
钢筋混凝土非线性有限元法国外发展趋势
三峡大坝下游坝面钢衬钢筋混凝土管的结构分析
混凝土弹塑性数学模型
混凝土裂缝数学模型
特高水头钢衬钢筋混凝土明管结构试验及非线性分析
我国高坝工程的若干研究进展
李家峡水电站下游坝面压力管道的非线性有限元全过程分析和原型仿真材料结构模型试验
钢衬钢筋混凝土压力管道混凝土裂缝宽度数学模型
钢衬钢筋混凝土压力管道混凝土裂缝宽度计算方法
钢衬钢筋混凝土压力管道混凝土裂缝温度张合量数学模型
德国水工沥青混凝土技术进展
钢筋混凝土非线性有限元分析研究进展
防洪减灾的技术策略
堤防工程的渗流控制及崩岸防治
水资源实时监控系统
口本盾构施工技术新进展
西部大开发中的水利科技问题
受污染水体的生态修复技术
生态水工学——人与自然和谐的工程学
钢衬钢筋混凝土压力管道非线性有限元分析
中国防洪减灾技术进展
钢衬钢筋混凝土压力管道承内水荷载9.94MPa