混凝土温度效应理论知识讲解

1、6.26.2混凝土的温度混凝土的温度(wnd)(wnd)效应理论效应理论2020世纪年世纪年5050代初期，德国学者从混凝土桥墩裂缝的现场调代初期，德国学者从混凝土桥墩裂缝的现场调查分析中，认识到温度应力对混凝土结构的重要性。查分析中，认识到温度应力对混凝土结构的重要性。我国铁道部大桥我国铁道部大桥(d qio)(d qio)局曾在局曾在2020世纪世纪5050年代末对实体年代末对实体混凝土桥墩的温差应力作了调研工作。混凝土桥墩的温差应力作了调研工作。在温度应力研究的起步阶段，国内外都以年温变化产生的在温度应力研究的起步阶段，国内外都以年温变化产生的均匀温度分布为依据。均匀温度分布为依据。第一

2、页，共21页。6.26.2混凝土的温度混凝土的温度(wnd)(wnd)效应理论效应理论随着试验及理论研究的进展，开始认识到温度分布的非线性问随着试验及理论研究的进展，开始认识到温度分布的非线性问题。题。直到直到2020世纪世纪6060年代初，英国年代初，英国D.A.StephensonD.A.Stephenson的研究成果，才的研究成果，才使对温度应力的研究从考虑一般的气温作用，进入到考虑日照使对温度应力的研究从考虑一般的气温作用，进入到考虑日照(rzho)(rzho)作用的新阶段。作用的新阶段。 第二页，共21页。6.26.2混凝土的温度混凝土的温度(wnd)(wnd)效应理论效应理论从从2

3、020世纪世纪6060年代年代(nindi)(nindi)以来，国内外都发现由于温度应以来，国内外都发现由于温度应力而导致混凝土桥梁严重裂损的事故。力而导致混凝土桥梁严重裂损的事故。Fritz Leonhardt Fritz Leonhardt 曾提到：曾提到：在箱型桥梁和肋板桥梁的顶面与下缘之间的温差可达到在箱型桥梁和肋板桥梁的顶面与下缘之间的温差可达到27332733；预应力混凝土箱型桥梁大都因温差应力而损害；预应力混凝土箱型桥梁大都因温差应力而损害；第三页，共21页。6.26.2混凝土的温度混凝土的温度(wnd)(wnd)效应理论效应理论n在不考虑温差应力的设计中，轻信在计算荷载下结构在

4、不考虑温差应力的设计中，轻信在计算荷载下结构无拉应力就不会出现拉应力是错误的。无拉应力就不会出现拉应力是错误的。n随着空心高桥墩、大跨度预应力混凝土箱梁桥等一些随着空心高桥墩、大跨度预应力混凝土箱梁桥等一些混凝土结构的发展，温度应力对混凝土结构的影响和混凝土结构的发展，温度应力对混凝土结构的影响和危害危害(wihi)(wihi)，已越来越引起工程界的重视。，已越来越引起工程界的重视。第四页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度温度(wnd)(wnd)分布与分布与温度温度(wnd)(wnd)荷载荷载 6.2.1.1 6.2.1.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载(hzi)(hzi)的特点

5、的特点混凝土桥梁竣工后，某一时刻结构内部与表面各点的温度状混凝土桥梁竣工后，某一时刻结构内部与表面各点的温度状态即为温度分布。态即为温度分布。由于混凝土的导热系数较小，在外表温度急变的情况下，内由于混凝土的导热系数较小，在外表温度急变的情况下，内部温度变化存在明显的滞后现象，导致每层混凝土所得到部温度变化存在明显的滞后现象，导致每层混凝土所得到或扩散的热量有较大的差异，形成非线性分布的温度状态。或扩散的热量有较大的差异，形成非线性分布的温度状态。第五页，共21页。影响混凝土温度分布的外部因素主要是大气温度变化的作用，影响混凝土温度分布的外部因素主要是大气温度变化的作用，如太阳辐射、夜间降温如太

6、阳辐射、夜间降温(jing wn)(jing wn)、寒流、风、雨、雪等各、寒流、风、雨、雪等各种气象的作用种气象的作用 。影响混凝土温度分布的内部因素，则主要由混凝土的热物理性影响混凝土温度分布的内部因素，则主要由混凝土的热物理性质、构件形状等决定。质、构件形状等决定。6.2.1 6.2.1 温度分布温度分布(fnb)(fnb)与温与温度荷载度荷载 第六页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度分布温度分布(fnb)(fnb)与温与温度荷载度荷载1 1、混凝土的热物理性能、混凝土的热物理性能混凝土的导热混凝土的导热(dor)(dor)系数和比热等热工参数的主要影响因素是其系数和比热等热工参数

7、的主要影响因素是其配合料。龄期与水灰比对热工参数影响较小。配合料。龄期与水灰比对热工参数影响较小。骨料对混凝土导热骨料对混凝土导热(dor)(dor)系数的影响较大，一般骨料的导热系数的影响较大，一般骨料的导热(dor)(dor)系数约为系数约为1.863.49 (1.863.49 (约为黑金属的约为黑金属的1/271/27），），而轻骨料的导热而轻骨料的导热(dor)(dor)系数约为系数约为1.16 1.16 。骨料对混凝土比热的影响也较明显，普通骨料的比热为骨料对混凝土比热的影响也较明显，普通骨料的比热为8001200 8001200 ，约为轻骨料比热的，约为轻骨料比热的1.61.6倍左

8、右。倍左右。)/(CmsWo)/(CmsWo )/(CkgJo 第七页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载1 1、混凝土的热物理性能、混凝土的热物理性能在在常温范围常温范围内混凝土的内混凝土的线膨胀系数线膨胀系数一般是一般是不变不变的，的，轻质轻质骨料骨料混凝土的混凝土的数值较小数值较小。在在一般工程计算一般工程计算中，普通骨料的混凝土、钢筋混凝土和中，普通骨料的混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土，预应力混凝土，线膨胀系数线膨胀系数可采用可采用 。Co/100 . 15 第八页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度温度(wnd)(wnd)分布与温分布与温度度

9、(wnd)(wnd)荷载荷载2 2、温度荷载的特点、温度荷载的特点(tdin)(tdin) 混凝土桥梁构件的温度随时在变化。就自然环境条件混凝土桥梁构件的温度随时在变化。就自然环境条件变化所产生的温度荷载，一般可分为日照、骤然降温及变化所产生的温度荷载，一般可分为日照、骤然降温及年温变化温度荷载三种类型。年温变化温度荷载三种类型。各各种种温温度度荷荷载载 特特点点汇汇总总 表表 特点温度荷载主要影响因素时间性作用范围分布状态对结构影响复杂性日照温度太阳辐射短时急变局部性不均匀局部应力大最复杂骤然降温强冷空气短时变化整体较均匀应力较大较复杂年温变化缓慢温变长期缓慢整体均匀整体位移大简单第九页，共

10、21页。6.2.1 6.2.1 温度分布温度分布(fnb)(fnb)与温与温度荷载度荷载2 2、温度荷载的特点、温度荷载的特点日照温度变化的主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速，日照温度变化的主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速，而从设计控制温度荷载来考虑，可简化为太阳辐射与气温变而从设计控制温度荷载来考虑，可简化为太阳辐射与气温变化这两个因素。化这两个因素。骤然降温一般只要考虑两个因素，即气温变化和风速，可以忽骤然降温一般只要考虑两个因素，即气温变化和风速，可以忽略日辐射的影响。骤然降温温度荷载变化较日照温度荷载缓略日辐射的影响。骤然降温温度荷载变化较日照温度荷载缓慢、作用慢、作用(zu

11、yng)(zuyng)时间长。时间长。年温变化比较简单，在工程设计中已考虑。年温变化比较简单，在工程设计中已考虑。 第十页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度温度(wnd)(wnd)分布与分布与温度温度(wnd)(wnd)荷载荷载3 3、桥梁构件温度分布的特点、桥梁构件温度分布的特点桥梁构件的构造明显影响温度分布。桥梁构件的构造明显影响温度分布。在混凝土箱梁中，沿顶板在混凝土箱梁中，沿顶板(dngbn)(dngbn)表面温度分布比较均匀，表面温度分布比较均匀，但沿腹板表面的温度分布则随时间而变。但沿腹板表面的温度分布则随时间而变。混凝土塔柱、墩柱结构的垂直表面的温度分布，随表面的朝向、混凝

12、土塔柱、墩柱结构的垂直表面的温度分布，随表面的朝向、太阳方位角的变化而异。太阳方位角的变化而异。第十一页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度分布温度分布(fnb)(fnb)与与温度荷载温度荷载3 3、桥梁构件温度分布的特点、桥梁构件温度分布的特点钢筋对构件温度分布的影响较小，可不予考虑。钢筋对构件温度分布的影响较小，可不予考虑。公路桥梁顶板上的沥青路面层，当其较厚时对顶板有明显的减公路桥梁顶板上的沥青路面层，当其较厚时对顶板有明显的减温作用，但较薄时因其吸热温作用，但较薄时因其吸热(x r)(x r)作用而对顶板不利。作用而对顶板不利。第十二页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度分布温

13、度分布(fnb)(fnb)与温与温度荷载度荷载6.2.1.2 6.2.1.2 温度场与温度荷载分析温度场与温度荷载分析混凝土结构内部的温度场是确定温度荷载的关键。混凝土结构内部的温度场是确定温度荷载的关键。分析温度场的方法一般有三种：一是用热传导微分方程求分析温度场的方法一般有三种：一是用热传导微分方程求解；二是采用近似数值解；二是采用近似数值(shz)(shz)解；三是运用半理论半解；三是运用半理论半经验公式。经验公式。第十三页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度温度(wnd)(wnd)分布与分布与温度温度(wnd)(wnd)荷载荷载6.2.1.2 6.2.1.2 温度场与温度荷载分析温

14、度场与温度荷载分析1 1、混凝土热传导微分方程及边界条件、混凝土热传导微分方程及边界条件混凝土构件混凝土构件(gujin)(gujin)内部和表面的某一点，在某一瞬间的温度内部和表面的某一点，在某一瞬间的温度可用下式表示：可用下式表示：温度不仅与坐标温度不仅与坐标 x x、y y、z z 有关，而且与时间有关，而且与时间t t 有关。有关。),(tzyxfT 第十四页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度分布温度分布(fnb)(fnb)与温与温度荷载度荷载根据热传导理论，对于均质、各向同性的混凝土，按弹性根据热传导理论，对于均质、各向同性的混凝土，按弹性力学的推导可得下列三维非稳态导热方程：

15、力学的推导可得下列三维非稳态导热方程： 式中式中 混凝土的导热系数；混凝土的导热系数； 混凝土的比热；混凝土的比热； 混凝土的容重；混凝土的容重； 混凝土单位体积内放出混凝土单位体积内放出(fn ch)(fn ch)的热量。的热量。qtTczTyTxT222222 cq第十五页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度温度(wnd)(wnd)分布与分布与温度温度(wnd)(wnd)荷载荷载当不研究大体积混凝土构件浇筑阶段内部存在水化热时，热源当不研究大体积混凝土构件浇筑阶段内部存在水化热时，热源 q q 可取可取 0 0。在热传导初始，温度在热传导初始，温度(wnd)(wnd)场为已知函数，即当

16、场为已知函数，即当t =0 t =0 时时 在相当多的情况下，初始温度在相当多的情况下，初始温度(wnd)(wnd)分布可认为是常数，即分布可认为是常数，即 常数常数 ),()0,(0zyxTzyxT 0)0 ,(TzyxT 第十六页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度温度(wnd)(wnd)分布与分布与温度温度(wnd)(wnd)荷载荷载在混凝土与基岩及新老混凝土之间的接触面上，初始温度往往在混凝土与基岩及新老混凝土之间的接触面上，初始温度往往是不连续的。是不连续的。一般情况下，方程常用的边界条件由以下三种方式给出一般情况下，方程常用的边界条件由以下三种方式给出: :（1 1）第一类边界

17、条件）第一类边界条件 混凝土表面温度是时间的已知函数，即混凝土表面温度是时间的已知函数，即 混凝土与水接触时，表面温度等于混凝土与水接触时，表面温度等于(dngy)(dngy)已知的水温，属于已知的水温，属于这种边界条件。这种边界条件。)()(tftT 第十七页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度温度(wnd)(wnd)分布与分布与温度温度(wnd)(wnd)荷载荷载（2 2）第二类边界条件）第二类边界条件 混凝土表面的热流量是时间混凝土表面的热流量是时间(shjin)(shjin)的已知函数，即的已知函数，即 式中式中 n n 为表面外法线方向。若表面是绝热的，则有为表面外法线方向。若表

18、面是绝热的，则有 )(tfnT 0nT 第十八页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度分布温度分布(fnb)(fnb)与与温度荷载温度荷载（3 3）第三类边界条件）第三类边界条件 当混凝土与空气接触时，假定当混凝土与空气接触时，假定(jidng)(jidng)热流量、表面温度热流量、表面温度T T、气温、气温 Ta Ta 及日及日辐射关系为：辐射关系为： 式中式中 表面总放热系数，考虑对流与辐射的综合热交换；表面总放热系数，考虑对流与辐射的综合热交换； Ta Ta蔽阳处气温；蔽阳处气温； 结构表面日辐射热量吸收系数；结构表面日辐射热量吸收系数； S S为日辐射强度。为日辐射强度。STTnTsa)( s 第十九页，共21页。6.2.1 6.2.1 温度分布温度分布(fnb)(fnb)与与温度荷载温度荷载 当桥梁位于荫蔽处，公