大体积混凝土浇筑过程中的温度场应力场分析

1、大体积混凝土浇筑过程中的温度场应力场分析第一章1.1选题的目的和意义混凝土是世界上应用最广、用量最大的、几乎随处可见的建筑材料，广泛应用于工业 与民用建筑。大体积混凝土在现代工程建设中占有重要的地位。我国每年仅在水利水电工 程中所浇筑的大体积混凝土就在一千万方以上。止匕外，港工建筑物、重型机器基础、核电 站基础、某些高层建筑基础等也往往采用大体积混凝土进行建设。对于大体积混凝土，到目前为止，大体积混凝土还没有一个统一的定义。美国混凝土协会（ACI）规定的定义是：任何现浇筑的混凝土，其尺寸大到必须采取措 施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大限度地控制减少开裂，就为大体积混凝 土。日本建筑

2、学会标准（JASS5的定义是：结构断面最小尺寸在80厘米以上，水化热引起 的混凝土内最高温度与外界气温之差，预计超过25 C的混凝土，称为大体积混凝土。上海建设工程局深基础若干暂行规定中的定义是 ：当基础边长大于20米，厚度大 于l米，体积大于400立方米的现浇混凝土，称为大体积混凝土。宝钢工程建设时规定 ： 任何体积的连续性现浇混凝土，当它的尺寸大到必须采取措施妥善处理所发生的温差，合 理解决变形变化引起的应力，并有必要将裂缝开展控制到最小程度，这种现浇混凝土为大 体积混凝土。北京第六建筑工程公司的定义是：单面散热的结构断面最小尺寸在 76厘米以 上，双面散热的结构断面最小尺寸在 1O0厘米

3、以上；水化热引起的混凝土最高温度与外界 气温之差预计超过25c的现浇混凝土，为大体积混凝土。王铁梦在工程结构裂缝控制 中的定义是：在工业与民用建筑结构中，一般现浇的连续墙式结构、地下构筑物及设备基 础等是容易由温度收缩应力引起裂缝的结构，通称为大体积混凝土结构。本定义与美国 ACI116R的大体积混凝土定义一致。实际上这类结构的体积和厚度都远小于水工结构的体 积和厚度。虽然没有统一的标准，但大体积混凝土广泛的应用于大坝， 港口，大型桥体等工程中。 以三峡工程大坝为例，三峡工程大坝为混凝土重力坝，最大坝高181米，枢纽工程混凝土浇筑总量达2800万立方米。如此巨大的混凝土工程施工总量，导致了三峡

4、工程混凝土施 工浇筑的高强度施工。三峡工程混凝土浇筑高峰集中在第二阶段工程，具混凝土浇筑总量 达1860万立方米。根据施工进展及总进度的安排，1998年为118万立方米，1999年为458 万立方米，2000年为548万立方米，2001年为403万立方米，2002年计划完成142万立 方米。施工高峰时段主要集中在 19992001年三年间，其中，以2000年的混凝土浇筑强 度为最高，要求年最高浇筑量达到 500万立方米，月最高达到40万立方米，日最高达到大体积混凝土浇筑过程中的温度场应力场分析第一章2.0万立方米以上。止匕外，大型斜拉桥和悬索桥中也大量使用大体积混凝土。广州珠江黄 埔大桥是广州

5、东二环高速公路的核心工程，总投资近27亿元。大桥全长7047米，由主跨383米独塔斜拉桥和主跨1108米的悬索桥组成。桥宽34.5米，为6车道，并预留远期8 车道位置。大桥后锚块最长32.0米，宽26.25米，高31.37米，混凝土强度等级为C30。. 后锚块混凝土总方约为C30混凝土 41720立方米。总投资57.8亿元、位于江苏省镇江、扬 州两市西侧的江苏润扬长江大桥主要由南汉悬索桥和北汉斜拉桥组成，南汉桥主桥是钢箱 梁悬索桥，索塔高209.9米，两根主缆直径为0.868米，跨径布置为470米+ 1490米+ 470 米；北汉桥是主双塔双索面钢箱梁斜拉桥， 跨径布置为175.4米+406米

6、+175.4米，倒Y型 索塔高146.9米，钢绞线斜拉索，钢箱梁桥面宽。该桥主跨径1385米比江阴长江大桥长105米。大桥建设创造了多项国内第一，综合体现了目前我国公路桥梁建设的最高水平。结合工程实例可以看出，大体积混凝土结构具有以下特点：(1)混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度的十分之一左右； 拉伸变形能力很小， 短期加载时的极限拉伸变形只有(0.6 1.0) 104,约相当于温度降低6-10C的变形；长期 加载时的极限拉伸应变也只有(1.2 2.0) 104(2)大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑以后，由于水化热的发生，内部温度急剧上升。此时混凝土的弹性模量很小，徐变较大，升温

7、引起的压应力并不大；但在 日后温度逐渐降低时，弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产生相当大的 拉应力。(3)大体积混凝土通常是暴露在外面的， 表面与空气或水接触，一年四季中气温和水 温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。(4)大体积混凝土结构通常是不配钢筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量的钢筋， 与结构的巨大断面相比，含钢率是极低的，一旦出现了拉应力，就要依靠混凝土本身来承 受1。从大体积混凝土承受荷载方面看，大体积混凝土通常承受两种不同性质的荷载：包括 水压、泥沙压、地震、渗压、风浪、冰凌以及结构自重与设备重量等；另一类是混凝土本 身的体积变化所引发的荷载，包括温变、

8、徐变、干湿变化、混凝土自生体积变形等所引发 的荷载。对于前一类荷载，要保证结构不产生或只产生很小的拉应力并不困难。但在施工 和运行期间，要把后一类荷载所产生的拉应力控制在允许范围内则是一件很不容易的事 情。正是由于后一类荷载(其中主要是温变)的作用，在大体积混凝土结构中会由于产生大体积混凝土浇筑过程中的温度场应力场分析第一章过大的拉应力而出现裂缝。当结构不受任何约束时，能够自由膨胀或收缩。温度变化时就 不产生应力，即为自由温度变形；另外结构的温度场均匀变化或呈线性变化，并且不与处 于另一力学变形、温度变化的物体相联系，也不会产生应力。因实际工程都难以满足上述 两种条件，故一般的混凝土结构由于温

9、度变化都将产生温度应力。实践证明温度应力是不 可忽略的因素，否则将带来严重的不良后果。因此温度应力场的分析对大体积混凝土的有 着重要意义2 0温度变化对大体积混凝土的影响主要有：引起结构内力的变化，导致混凝土裂缝；对 结构的应力状态引起应力重分布，不能按照设计时确定的应力状态发展。温度变化引起的 应力甚至超过其它荷载应力，尤其是在结构温度急剧变化时，将产生很大的拉应力，而混 凝土为脆性材料，其抗拉强度非常低，常因温度应力导致混凝土结构受拉力破坏。实际工 程中，大量的大体积混凝土结构大桥桥墩、大体积混凝土坝、建筑物基础等都受到裂缝问 题的困扰。无论是工程设计单位还是施工单位，对于该问题往往束手无

10、策，只是通过经验 判断的方法进行裂缝控制，然而结果收效甚微。因此通过理论分析建立相应的计算模型， 实现对大体积混凝土结构温度应力场的定量分析，对于工程温度变形问题有着极其重要的 意义。由此可见，对大体积混凝土浇筑过程中的温度场，应力场的耦合关系分析非常必要。 本文就是利用有限元的方法对大体积混凝土浇筑过程中的温度场和应力场进行分析，并应 用ANSYS软件分析二者的耦合关系，得出混凝土产生裂缝与温度之间的关系。1.2 研究现状随着混凝土温度场和应力场问题的大量出现，人们越来越意识到因温度开裂给工程带 来的严重影响。近年来国内外学者对温度问题作了大量的实验、 理论和数值分析研究。1985 年举行的

11、第十五届国际大坝会议将混凝土的裂缝问题列为会议的四大议题之一；1992年在美国加利福尼亚州圣地亚哥市第三次碾压混凝土会议上P.K.Barrett等创造性地把Bazant的Smeared Crac肝裂模型引入大坝温度应力的分析中；日本学者首先用有限元和差分法计算坝体温度场，利用ADINA程序计算三维应力场，并预测了宫獭坝在施工期和运行期开裂的 可能性。近年来，他们通过大量的实验证明：和大体积混凝土紧密连接的应力计，可以方 便地测出各部位的温度应力，并且断言，只要与温度应力有关的材料参数的精度足够，其 实测的温度应力的精度也就足够3。我国在大体积混凝土结构的温度应力数值分析和理论研究的许多方面处于

12、世界的前大体积混凝土浇筑过程中的温度场应力场分析第一章列。刘兴法中阐述了温度应力的特点：一是它与一般荷载应力不同，基本上应力和应变不 再符合简单的虎克定律关系，出现小应变大应力和大应变小应力的情况，但是伯努利的平 面变形规律仍然适用，温差应力则与平面变形后保留的应变和温度自由应变之差成正比。 二是由于温度荷载沿壁板厚度方向的非线性分布，故截面上温度应力分布具有明显的非线 性。三是由于温度分布是瞬时变化的，所以在结构中的温度应力也是瞬时变化的，具有明 显的时问性40王铁梦以弹性理论作为分析结构由于温度作用产生变形引起的应力状态的 基本工具，通过多年的实践认为结构的温度应力是与“约束”分不开的，大

13、致可分为“外 约束”和“内约束”两大类。八十年代以来，中国水利水电科学研究院、清华大学、天津大学、河海大学、西安理 工大学、武汉水利电力大学、大连理工大学等，都进行了混凝土温度应力的攻关研究，分 别对沙溪口溢流坝、盐滩工程围堰、观音阁、铜街子、二滩、三峡、溪落渡、小湾、普定、 龙滩等己建、在建和待建的混凝土坝，进行了温度应力的计算分析，取得了一批有价值的 成果。在温度场、温度应力场仿真分析方面，1985年美国陆军工程师S.B.Tatra和E.K.Schrader对Willow坝采用一维温度场分析，开创了仿真分析的先例。在国内朱伯芳提 出的扩网并层算法；天津大学赵代深等提出增量的全过程仿真动态模

14、拟方法，对铜街子碾 压混凝土坝和五强溪等工程作了全过程温度场和应力场仿真计算研究；西安理工大学提出 的网格浮动法；武汉水利电力大学提出了非均质单元法；大连理工大学的波函数法；河海 大学在7990年至1992年间结合小浪底工程完成了大体积混凝土结构的二维、三维有限元 仿真程序系统（TCSAP）,且提供了丰富的前后处理和图形输出技术；清华大学刘光廷应 用“人工短缝”成功地解决了溪模碾压混凝土拱坝两岸的温度拉应力问题。在应力开裂仿 真计算方面，武汉水利电力大学的肖明提出了考虑外部温度变化效应的三维损伤开裂非线 性有限元分析方法；天津大学的赵代深教授提出混凝土坝浇筑块长度三维仿真敏感分析问 题；陈敏林

15、提出了估算应力方法；朱伯芳的并层算法和分区异步长法；刘光廷的大体积混 凝土结构温度场随机有限元算法；曾昭扬教授等系统地研究了碾压混凝土拱坝中“诱导 缝”的等效强度、设置位置、开裂可靠性问题；河海大学陈里红首次在温度应力仿真分析 中考虑了混凝土的软化特性，并在龙滩碾压混凝土坝的温控设计中建立了一、二、三维有 限元综合分析的数值模型刚5。上述的温度场、应力场仿真分析方法一般是结合具体的工程进行研究的，尽量将温度 应力、开裂与仿真相结合，各种方法计算出的温度场相近，但应力场有一些差别。为大体 积混凝土温度应力计算奠定了坚实的基础。大体积混凝土浇筑过程中的温度场应力场分析第一章1.3 研究方案和预期结果本论文是在理解大型混凝土温度场和应力场概念与研究现状的基础上，建立大型混凝 土浇筑过程中的温度场和应力场耦合与数值仿真的数学模型及其数值模拟方法。使用 ANSYS参数化设计语言编制一套计算程序，计算混凝土浇筑过程中温度、应力之间的关 系，以减少工程上大型混凝土因温度产生的裂缝。研究内容：1、分析大体积混凝土浇筑中温度产生机理。2、大体积混凝土浇筑过程中温度场和应力场计算原理。3、建立大体积混凝土浇筑过程中温度场和应力场的数学模型。4、利用ANSYS进行温度场和应力场的分