早龄期混凝土热力学性能差异对应力的影响研究.pdf
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1、第43卷第23期 2012年I2月 人民长江 Y angt ze River V0143N o23 D ec2012 文章编号:10014179f 2012)23009605 早 龄 期 混 凝 土 热 力 学 性 能 差 异 对 应 力 的 影 响 研 究 杨文海,陈守开 ( 华北水利水电学院水利学院,河南郑州450011) 摘要:针对目前对由混凝土热力学性能差异导致的结构温度应力缺乏认知的现状,依据现有理论,定性分析热 胀系数差异和自生体积变形差异对混凝土早龄期温度应力的影响,并采用混凝土三维非稳定温度场和应力 场有限元方法,对这一影响进行仿真计算和定量分析。结果表明,热胀系数差异和自生体
2、积变形差异是早龄 期混凝土结构产生不利拉应力不可忽略的因素,而自生体积变形差异有上下层自生体积变形差和内外自生 体积变形差两种类别,其中前一种自生体积变形差主要取决于间歇时间,后一种自生体积变形差由内外层混 凝土水化程度不同引起。 关键词:应力;热胀系数;自生体积变形;混凝土 中图法分类号:TV 431文献标志码:A 混凝土裂缝问题是一项综合性课题,但在以往的 温控防裂研究中,大多只分析混凝土的温度和应 力。,极少对除温度以外其他方面引起的应力问题 作专题研究。在大多数的仿真研究中,只有通过多方 案的定量仿真才能对混凝土结构开裂问题做出定性分 析,但尽管如此,仿真研究仍然无法真正准确预测混凝
3、土结构的开裂时间、开裂位置以及裂缝发展规律等。 因此,为了能够增强对混凝土结构开裂问题的了解,有 必要对除温度以外的其他因素对混凝土应力的影响开 展研究。 一般情况下,大体积混凝土施工需要采用分层分 块浇筑方式,且对于大坝混凝土还需要根据工程目的 和结构特点采用多标号多种类的混凝土。显然,不同 种类或标号的混凝土其热力学性能是不同的,即使是 同一混凝土在不同龄期其热力学性能也往往存在差 异怕。而这种除温度以外的热力学性能上的差异对 混凝土结构应力的影响目前尚缺乏研究,为此,本文依 据现有理论和方法,主要从热胀系数的差异和自生体 积变形的差异两方面对混凝土应力的影响开展定性和 定量研究。 1仿真
4、计算基本原理 l 。1不稳定温度场 在计算域R内任何一点处,不稳定温度场T(戈,Y , z,t )须满足热传导方程 等=口(等+雾+窘)+等 i 【再+万+广再 u 式中,r为温度,;a为导温系数,m 2h;口为混凝土 绝热温升,;t 为时间,d;r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 8。 1。2应力场 混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应 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 占。=s:+As:+as:。+占: +A e:(2)
5、 式中,as:为弹性应变增量;占:为徐变应变增 收稿日期:20120517 基金项目:国家自然科学基金资助项目( 50779010,51109081) ;河南省教育厅科学技术研究重点项目(12A 570002) 作者简介:杨文海,男,讲师,硕士,从事水利工程面的研究。Em ai l :yw h7905 126corn 通讯作者:陈守开,男,讲师,博士,从事水工结构温控和渗控仿真研究。Emai l :m an200177 163t om 第23期 杨文海,等:早龄期混凝土热力学性能差异对应力的影响研究 97 量;占:为温度应变增量,s:为干缩应变增 量;占:为自生体积应变增量。 由物理方程、几何
6、方程和平衡方程可得任一时段 在区域上的有限元支配方程,具体见参考文献8。 2 理论分析及算例仿真 21热胀系数差 热胀系数是计算混凝土温度应力的一个重要的参 数。,它直接影响混凝土温度应力的数值。混凝土与 基础,新混凝土与老混凝土之间以及不同标号混凝土 间均存在热胀系数的差异,这种差异导致相同的温度 变化产生不同的变形量,从而产生了额外的应力。由图 1可知,若单元e,和单元e:的热胀系数a一和a砬不相 等,则两个单元相同的温度降(或增) 幅丁下,产生 的应变量就不相等,即s。占:,从而产生额外的约束 应力。 _。- 。_ - _ _ l 兰1 a_2 I I l 一 一 LJ 图1热胀系数差
7、为了考察热胀系数差对混凝土温度应力的贡献, 考虑计算模型如图2所示,且沿=方向分两种材料( 图 3)。假定混凝土和混凝土的热胀系数不同,其中 d。=10 X10。C ,a:=5 X10一。C。其余热学参数有 导热系数858kJm hoC,导温系数00032m 2h, 表面换热系数30kJm 2hoC。计算时,取绝热温升模 图2计算模型 rT4 i ,。 混凝土 口2卜T2 Tl 材料分界线了 混凝土 俚1 图3算例中截面及特征点( 尺寸单位:m ) 型p(下)=184X1一e0136一” ,弹性模量取为25 G Pa,且不考虑其他影响应力的因素,边界面均自由且 绝热。显然,若混凝土和热胀系数相
8、同,则不产生 应力。混凝土分区和特征点布置见图3,计算结果见 图4和图5。 图4特征点应力 图5沿z向最终应力分布 由于计算时混凝土一直处于升温状态,混凝土 (热胀系数较小)温升膨胀量较小,受到了混凝土的 约束产生了拉应力,相反混凝土则产生压应力。由 图4可知,T1点的最大拉应力为085M Pa,这对于施 工期混凝土而言还是比较可观的。当然,距离材料分 界线越远的部位受热胀系数差的影响会迅速减小,如 距离材料分界线40m 的T4点的拉应力仅006 M Pa (图5)。可见,热胀系数差会导致温度变形产生差异, 从而在混凝土自身约束作用下产生应力,其中相对收 缩的混凝土会产生不利拉应力。 22自生
9、体积变形差 自生体积变形一般表现为混凝土结构的整体变 98人民长 江 形,但事实上,混凝土自生体积变形的产生和发展与混 凝土自身温度历程密切相关:温度越高,水化反应速率 越快,水化程度越高,自生体积变形发展越快H 。在 实际结构中,由于边界传热的作用,混凝土各部位温度 不同,即水化程度存在差异,因此浇筑时间相同的同一 混凝土自生体积变形存在差异,笔者称其为“内外自 生体积变形差”(图6)。此外,由于浇筑时间不同的混 凝土其自生体积发展程度不同也会产生变形差异,称 为“上下层自生体积变形差”( 图7)。这些自生体积 变形差的存在同样会改变混凝土的应力状态。 如图6所示,占。为考虑龄期的自生体积收
10、缩,它表 现为整体收缩(实际上只发生在绝热自由状态),而在 实际结构中,由于边界散热,相同龄期下,混凝土结构 内外水化度和等效龄期存在差异,图中g。为考虑水化 度和等效龄期的自生体积收缩情况,可以看出各部位 收缩是不同的,即会产生变形差。而上下层混凝土的自 生体积变形差可由图7看出,若不考虑温度的影响,则 只有当间歇时间(Int evalt i m e)X =00d时,占0ld= s,而若间歇时间X 00d,则s砌占就会产生 变形差,从而产生应力。 图6内外自生体积变形差 图7上下层自生体积变形差 221上下层自生体积变形差 为了考察混凝土上下层自生体积变形差引起的应 力贡献问题,采用某大坝工
11、程试验拟合模型如式(3)。 8(0一 善象 IU 6 2一西西Fi 两 Lj , 式中,占为混凝土自生体积变形。 计算时考虑混凝土的弹性模量随龄期变化,但不 考虑其他的体积变形因素,混凝土分区和特征布置见 图3,计算网格如图2所示。其他计算条件同21节。 计算方案如下:A V D D 一1,混凝土浇筑后,间歇30 d 后浇筑混凝土;A V DD 一2,混凝土浇筑后,间歇 50d后浇筑混凝土;A V DD 一3,混凝土浇筑后, 间歇70d后浇筑混凝土。 图8为T1在间歇30,50d和70d产生的应力 值。可以看出,间歇时间越长,自生体积变形差引起的 拉应力越大,在龄期50d时,应力的最大差值分别
12、达 到0050,0102M Pa和0161M Pa,差别较明显。可 见,间歇时间越长,上下层混凝土自生体积变形差产生 的拉应力越大,而产生应力的大小与自生体积变形差 额以及混凝土的刚度有关。此外,由图9可以看出,不 论间歇时间长短,上下层自生体积变形差产生的最大 拉应力均出现在材料分界线( 即间歇面)以上约1 m 左右的距离。因此,上下层自生体积变形差也是引起 混凝土应力的因素之一,但在施工过程中可以通过缩 短间歇时间来减小这种差别。 018 016 014 012 兰010 杂o08 捌O 06 O 04 002 0 002 10 9 摧s 鸯。 5;粤 6 5 图8不同间歇时间T1点的应力
13、值 00050101i02 最大应力值M Pa 图9上层混凝土沿z向最大应力分布 222 内外自生体积变形差 为了考察混凝土内外自生体积变形差引起的应力 贡献问题,采用基于等效龄期的自生体积计算模型,如 (4) 式。 8。,=一T器1。一6 (4) 8(t)2一T;百_互j1u L4J 式中,t 。为等效龄期,详见文献5。 假定混凝土的热胀系为0( 即温度变化不产生 变形),环境温度固定为20,其余同21节算例,计 第23期杨文海,等:早龄期混凝土热力学性能差异对应力的影响研究 99 算结果见图10,11。 图10自收缩弓l 起的中心点应力 图ll自收缩引起的表面点应力 浇筑初期,混凝土内部温
14、度高,水化程度大,自收 缩发展较快,相反,表面自收缩发展较慢。因此,在自 生约束作用下,内部产生拉应力,表面产生压应力,如 中心点产生的最大拉应力为012M Pa( 图10) ,而表 面产生的最大压应力一023M Pa( 图11) 。由于混凝 土自生体积变形值最终相同,故后期混凝土内部自收 缩量减少,而表面自收缩则仍在发展,因此,内部混凝 土拉应力逐渐减小,并最终产生了一定的压应力 ( 一002M Pa),而表面混凝土的压应力逐渐减小,并 最终转化为拉应力( 006M Pa)。 此外,龄期12d时混凝土中心温度超过36。C ,而 表层温度23,温差超过14。C。显然,内部混凝土水 化程度(成熟
15、度)要高于表面,即内部混凝土的自收缩 发展更快,在混凝土内外约束下,内部产生拉应力为 012 M Pa( 图12) 。 3结论 本文主要从理论和仿真模拟两个方面说明了由温 度和龄期引起的混凝土热胀系数差和自生体积变形差 亦是引起施工期混凝土应力的原因。 (1)混凝土热胀系数差异引起的较大应力主要分 布在材料分界面附近,且热胀系数相对较大的混凝土 产生不利拉应力,当热胀系相差一倍时,可产生最大 图12龄期12d时中截面应力分布( 单位:M Pa) 085M Pa的拉应力,其对结构整个应力的影响是不可 忽略的。 (2)对于同一种混凝土而言,混凝土上下层自生 体积变形差对应力的影响主要是取决于间歇时
16、间,间 歇时间越长引起的拉应力就越大,且这种拉应力的较 大值一般出现在上层混凝土的层面附近,距离层面越 远拉应力越小。实际工程中,可通过缩短间歇时间来 减小这种差异应力。 (3)同一种混凝土内外自生体积变形差,主要是 由于实际工程中内外混凝土水化程度不同引起的。对 于早龄期混凝土而言,内外自生体积变形差主要在表 面产生压应力,内部产生拉应力。 参考文献: 1 GD eSchut t erFi ni t eelem entsi mul at i onofther m alcracki nginm a$一 si ve har deni ng concret eel em ent s us ing
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- 早龄期 混凝土 热力学 性能 差异 应力 影响 研究
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