昼夜温差对薄壁混凝土结构温度应力的影响分析.pdf
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1、第 3 7卷第 7期 2 0 1 1 年7 月 水 力 发 电 昼 夜 温 差 对 薄 壁 混 凝 土 结 构 温 度 应 力 的 影 响 分 析 陈守开 ,孟 美丽 , ( 1 华北水利水 电学院 ,河南郑州 4 5 0 0 1 1 ; 刘秋 常 ,王振 红 2 中国水利水 电科学研 究院,北京1 0 0 0 4 4 ) 摘 要 :薄壁混凝土结构受昼夜温 差的影响更容易产生裂缝 。针对这一 问题 ,利用三维有限单元法对某薄壁混凝土 结 构施 工期 进行 了温度场和应力场 的仿 真计 算分析 。结果显示 ,在昼夜温差作 用下 ,薄壁混凝土结构表面和 内部均 会 产生较大应力波动 ,波 动幅度在
2、 0 _ 3 1 9 MP a之 间 ,对施工期温控 防裂不利 。此外 ,对薄壁混凝 土结构施工期 的 仿 真计算 环境 温度取 日气温变化更加合理 。该研究能为具有较大昼夜温差地区的混凝 土工程施工设计提供参考 。 关键词 :薄壁混凝 土结构 ;昼夜温差 ;温度场 ;应力场 ;温控防裂 I mp a c t o f Di u r n a l Te m p e r a t u r e Di ffe r e n c e o n t h e S t r e s s o f Tl l i n wa i l e d Co n c r e t e S t r u c t u r e C h e n S
3、h o u k a i , Me n g Me i l i , L i u Q i u c h a n g , Wa n g Z h e n h o n g 。 ( 1 No r t h C h i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t ric P o w e r , Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 , He n a n , C h i n a ; 2 C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s
4、 a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h , B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e t h i n - w a l l e d c o n c r e t e s t r u c t u r e i s mo r e p r o n e t o c r a c k i n g wh e n c o n s t ruc t i n g o n t h e c o n d i t i o n o f l a r g e r d i u r n a l t e mp e
5、 r a t u r e d i f f e r e n c e T h e 3 一 D F E M i s a d o p t e d t o s i mu l a t e t h e t h e r ma l a n d s t r e s s fie l d s o f a t h i n wa l l e d c o n c r e t e s t ruc t u r e d u r i n g c o n s t r u c t i o n a f t e r c o n s i d e ri n g d i u r n a l t e mp e r a t u r e d i f
6、f e r e n c e T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fl u c t u a t i o n o f s t r e s s wi l l a p p e a r n o t o n l y i n t h e s u r f a c e b u t a l s o i n t h e i n n e r ,a n d t h e fl u c t u a t i o n r a n g e i S b e t we e n 0 3 1 9 MP a wh i c h i S a d v e r s e t O t e mp e r
7、a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n T h e s i mu l a t i o n a l s o s h o w s t h a t u s i n g d a i l y t e mp e r a t u r e v a r i a t i o n a s i n p u t i s mo r e r e a s o n a b l e f o r a n a l y z i n g t h e s t r e s s o f t h i n - w a l l e d c o n c r e t e s
8、 t ruc t u r e r h e r e s e a r c h c a n b e a s r e f e r e n c e t O t h e p r o j e c t s w h i c h b u i l t i n t h e a r e a w i t h l a r g e r d i u r n a l t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e Ke y W o r d s : t h i n - wa l l e d c o n c r e t e s t ruc t u r e ;d i u rna l t e mp e
9、r a t u r e d i f f e r e n c e ;t e mp e r a t u r e fi e l d;s t r e s s f i e l d ;t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n 中图分 类号 : T V 3 l 5 文献标识码 : A 文章编号 : 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) o 7 0 o 2 7 0 4 施 工 期 的 混 凝 土 温 度 裂 缝 问 题 一 直 是 工 程 界 所 面 临 的 一 大 难 题 ,它 影 响 因
10、素 众 多 , 形 成 机 理 复 杂 。 从 裂 缝 成 因分 析来 看 ,国 内普遍 认 同温 度 荷 载 是 引 起 裂 缝 的重 要 因 素 ,解 决 问 题 的 途 径 主 要 从 温 度 控 制方 面着 手 防止 结 构 在施 工期 经 历 过 大 的 温度 变化 ,或 者说 减 小混 凝土 过 大 的温度 变化 幅度 。 对 大 坝等 大 体 积 混凝 土而 言 ,由昼夜 温差 等 气 温骤 变 因素 引起 的温 度 应 力 主要 使 结 构 表 面产 生 裂 缝 E5 - 9 ,不 会 使结 构 产 生 贯 穿 性 裂缝 。但 是 对 薄壁 混 凝 土 结 构 而 言 ,由于
11、结 构 尺 寸相 对 较 小 ,环境 温 度 的急 剧 变化 可 使 整 个 结 构 断 面受 到 影 响 ,再 加 上 施 工 期 混凝 土 自身 强 度 较低 ,裂 缝 一 旦 出现 ,往 往 是 贯 穿 性裂 缝 。针 对 这 一 问题 ,根 据 自编温 度 场 应 力 场 维 有 限元 计 算 程序 ,依 托 南水 北 调 中线某 大 型 渡 槽 工 程 对 环 境 温 度 骤 然 变 化 时 薄 壁 混 凝 土 结 构 温 度 场 和 应 力 场 的 时 空 变 化 进 行 分 析 研 究 , 为 适 时 合理 地制 定 温控 防裂方 案 提供参 考依 据 。 1 有限元仿真计算原理
12、 1 1 不 稳 定温 度场 在 计 算 域 R 内 任 何 一 点 处 ,不 稳 定 温 度 场 收稿 日期 :2 0 l 1 _ 0 l 一 1 3 基金项 目:国家 自然科学基金 资助项 目 ( 5 0 7 7 9 0 1 0 ) 作者简 介 :陈守开( 1 9 8 0 _ - ) ,男 ,浙江温州人 ,讲 师,博士 ,主 要从事水工结构工程混凝土温控防裂研究 W a t e r P o w e r V o 1 3 7 N o 7团 ( , Y, Z, t )须满 足热传 导 方程 J o , n 】 : + + 卜 l 十 十 + L 式 中 ,7 1 为温 度 , ;。为导 温 系数
13、 ,m: h;0为 混 凝 土绝 热温 升 , ;t 为时 间 ,d;t为龄 期 ,d。 利 用变 分原 理 ,对 式 ( 1 ) 采用 空 间域 离散 、时 间 域 差分 引 入初 始 条 件 和边 界 条 件后 ,可 得 向后 差 分 的 温 度 场 有 限 元 计 算 递 推 方 程 ,具 体 见 参 考 文 献 【 1 0 。 混 凝 土 内含 冷 却水 管 时 根椐 傅 立 叶 热传 导 定 律 和热 量 平衡 条 件 ,求 解 水 管 沿程 水 温 的 增 量 ,具 体见 参考 文献 1 o,1 2 1 。 1 2应 力场 混 凝 土 在 复 杂 应 力 状 态 下 的 应 变 增
14、 量 包 括 弹 性 应 变 增 量 、 徐 变 应 变 增 量 、温 度 应 变 增 量 、 干 缩 应 变增 量 和 自生体积 应变 增量 因此有 A e ) = + s + + ) + 8 u l ( 2 ) 式 中 , : 为弹 性应变 增量 ; 8 : 为徐变 应 变增 量 ; 8 为温 度应 变增 量 , s ) 为 干缩 应 变增 量 ; s o ) 为 自生体 积应 变增 量 。 由物 理方 程 、几何 方 程 和 平衡 方 程 可 得任 一 时 段 在 区域 R 上 的有 限元 支 配 方 程 ,具 体 见 参 考 文 献 1 0 1 。 2 实例分析 2 1 工 程概 况
15、渡 槽 是南 水 北 调 中线 总 干 渠 上 的一 座 大 型交 叉 建 筑物 】 ,渡 槽建 筑 物全 长 2 3 0 0 m。建 筑 物级 别 1 级 。单 跨 长 3 0 I n,槽 身 均按 3槽 布置 ,横 向宽度 为 2 2 IT I ,单槽 段 面尺 寸为 6 0 rex 5 4 m。槽 身混 凝 土等 级 为 C 5 0 W6 F 2 ( ) 0 ,配合 比见 表 1 。工程 所 在 区域 属 暖温带 大 陆 性 季风 气 候 区 ,四季 分 明 ,根 据 河北 省 农 业 气 象 资 料 当地 多 年 月 平 均 气 温 如 表 2所 示 , 多年 月平 均气 温 拟合 曲
16、线 见 图 1 。 多 年月平 均气 温拟 合公 式 ( t ) =1 2 2 +1 5 3 5 x c o s 6 x ( 一 6 4) ( 3 ) 式 中 ,t为 月 份 ;。表 示 月 气 温 ;1 T 取 3 1 41 5 9 2 6; ( ) 为气 温随 月份 的变 化 。 日气温 拟合 公式 ( r) : ( ) + 7 5 x c o s r r 1 2 x( r - 1 4) ( 4) 3 0 2 5 2 O l 5 赠 1 0 5 0 5 1 0 图 1气 温 拟 合 曲线 式 中 ,7 为 每 天 中 的 时 刻 ;d表 示 日气 温 , ( 7 - ) 为 日气 温 随
17、变化 2 2计算 模型 根 据 工 程 结 构 的 对 称 性 以及 目前 计 算 机 的 计 算 水 平 ,建 模 时取 一 半 结 构参 与 计算 。 由于 混凝 土 表 面受环 境 影 响较 大 ,温度 梯 度 较 大 ,结 构表 面单 元 划 分相 对 密 些 ;为 反 映水 管 周 围 的温 度 梯度 ,对 水 管 周 围 的网格 进 行 加 密 。带 水 管计 算 模 型 的单 元 数 和结点 数 分别 为 3 7 6 7 6、4 5 9 0 9个 。槽 身分 两 层 施 工 间 隙 面 为 墙 体 下 部 的八 字 角 处 间 隙 时 问 1 5 d 。分层 及 特征 点 布置
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