大体积混凝土裂缝控制研究.pdf
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1、第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u rna l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 2 8 No 3 S e p 2 0 1 1 大体 积混凝土裂缝控制研究 林 一 , 王 凯 , 高荣雄 ( 1 贵 阳市城市规划设计研究 院,贵州贵阳5 5 0 0 0 0 ; 2 华中科技大学土木工程与力学学院 ,湖北武 汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要: 随着大体积混凝土的广泛应用 , 混凝土的裂缝控制问题 日益突出。裂缝的产生会导致混凝土的抗渗、 抗腐蚀等性能下降,
2、影响结构的耐久性。本文分析了大体积混凝土由于水化热而产生的开裂机理 , 结合实际工 程, 应用 Mi d a s 软件模拟大体积混凝土温废场, 重点解决了混凝土分层浇筑 、 水管冷却及边界条件等因素对其 温控的影响, 监测结果与理论分析较好吻合, 论文研究工作对类似工程具有借鉴作用。 关键词: 大体积混凝土; 裂缝控制; 有限元分析 中图分类号 : T U 7 5 5 文献标识码 : A 文章编号 : 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 - 0 0 3 5 0 5 大体积混凝 土的应用越来越广泛 , 随之而来 的 , 大体积混凝土的裂缝控制问题也越来越引起 设计
3、和施工人员的关注。我国工程界认为当混凝 土结构断面尺寸大于 1 m时, 就称之为大体积混 凝土 。导致大体积混凝 土开裂 的主要 因素有 水化热 、 温差、 混凝土收缩等 , 其 中水化热是导致 混凝土产生裂缝的主要原因 。 大体积混凝土在浇筑振捣以后 , 产生大量 的 水化热 , 由于混凝土表面散热 , 混凝土温度中心由 向表面递减 , 温度 的不同导致混凝土 内外变形不 统一, 中心混凝土与边缘混凝土变形不一致, 因而 产生温度应 力 J 。所受 约束 的不 同导致温度 应 力大小也不相同。当混凝土的抗拉应力不能抵抗 温度应力的作用时 , 结构就会开裂产生 由温度应 力引起 的非荷载裂缝。
4、 大体积混凝土的温度场 从浇筑完成开始 , 大体积混凝 土就处于一个 动态温度场中, 这个温度场将引起应力 , 所 以有必 要分析温度场及其变化过程。浇筑刚刚完成 时, 混凝土的初始温度为人模温度 , 即内部任一点 , 其 初始温度为人模温度。导致混凝土开裂的温度应 力是混凝土内此点与周 围的温差 ( t )引起混 凝土变形造成 的。混凝土内外温差是水化热的绝 热温升 、 混凝土浇筑 温度 ( t ) 、 混凝土结构物 的散热温降 ( t ) 、 外界温度 ( t ) 的叠加 。 大体积混凝土 内部 中心最高温度 J : T c ( t )=T ( t )+ r, n ( 1 ) 一 为温降系
5、数 。随混凝 土浇筑块的厚度与 龄期而异。 大体积混凝土外部中心最高温度 J : ( t )=T s ( t )+7 1 ( t ) ( 2 ) 内外温差 : A T ( t )=7 1c ( t )一 ( t ) =T ( t )+ 一 ( t ) 一 ( t ) ( 3 ) 在绝热条件下 , 即水泥与外部没有热交换时 , 水泥水化热不能散发出去 , 混凝 土温度将持续升 高。不同的水泥品种和单位体积的水泥用量影响 温度升高规律 , 温度随时问上升的曲线为 : ( )=w_ s t ( 1 一 e m t ) ( 4 ) 其 中 为每 1 m 混凝土中的水泥含量 , k s I n。; g为
6、每 k g 水泥水化热量 ; c 为 比热 , 一般为 0 9 21 01 0 J k g o C; p为混凝土密度 , 一般取 2 5 0 0 k g m ; m为与水泥品种有关的系数 , 一般取 0 30 5。 散热温降 ( t ) 取决 于大体积混凝土 内部此 点散发的热量 Q, 其值取决于此点与周围的温差 , 根据热传导定律, 可知 : Q=O L - S T h ( t )一T( t ) ( 5 ) 其 中 O 为对流交换系数 ; S为混凝土表面与 外界环境接触总面积; ( t ) 为混凝土内部此点的 温度 。 收稿 日期 : 2 0 1 1 - 0 7 1 5 作者简介 :林一(
7、1 9 5 7 一 ) , 男 , 贵州黔西人 , 研 究方 向为工业 与民用建筑( E r n a i l : WY 4 6 6 4 5 9 Z G1 6 3 C O rn) 通 讯作者 :高荣雄 ( 1 9 6 9 - ) , 男 , 福建福安人 , 副教授 , 博士 , 研究方向为桥梁健康评估 与加 固( E m a i l : b r i d g e l 1 5 1 6 3 c o rn) 3 6 土木工程与管理学报 2 0 1 1年 2 温度场 的求解 2 1 热传导方程 由于水泥水化过程放热的作用 , 混凝土温度 随时间变化变成具有内热源 的热传导 问题 , 即在 混凝土区域 内,
8、 非稳定温度场 T ( , Y , z , t ) 必须 满足热传导方程 : = 口( 窘 + Oy 2 + ) + ( 6 ) 一 = 口 I 十 十 _ I + I O J a 、 a戈 a a 、 式中, 0为导温 系数 ;0为混凝土 的绝热温升 ; 为混凝土龄期( 时间) 。 2 2 热传递初始条件和边界条件 ( 1 ) 初始条件 T ( , Y , z , 0 )=T o ( , Y , z ) ( 7 ) ( 2 ) 边界条件 大体积混凝土温度场边界条件可分为四类。 第 1 类为混凝土表面温度 是 已知函数 : T ( t )= ) ( 8 ) 第 2类为混凝土表面热流量是已知函数
9、 : A = ) ( 9 ) 第 3类为表面热交换边界 , 假定混凝土表 面 热流量与混凝土表面温度 7 1 和气温 之差成 正 比 : 一 A = ( 一r o ) ( 1 0 ) 式 中, 为放热系数 ; 为导热系数;r o 为环境温 度; n为混凝土表面外法线方向。 第 四类边界条件 。当两种 不同的 固体接触 时, 如果接触 良好 , 则在接触面上温度和热流量都 是连续的, 边界条件如下 : = T 2 ,- A 1 = ( 1 1 ) 2 3 温度场的求解 根据己知的初始条件和边界条件 , 求解热传 导方程 , 就可得到混凝土的温度场 , 求解方法分为 以下几类 , m 。 ( 1
10、) 理论解法。主要用来求解边界条件 比较 简单的一维温度场 , 常用的方法有分离变量法和 拉普拉斯变换法。 ( 2 ) 差分解法。差分解法是用差分代替微分 的一种数值解法。常用的有一维差分法和二维差 分法 , 相 比之下 , 一维差分法只考虑一个方 向边界 散热 , 计算得到的温度值用 于计算应力偏于保守 一 点 。 ( 3 ) 有限单元法。把求解 区域分 为有限个单 元 , 通过变分原理 , 得到以结点温度为变量的一个 代数方程组 , 求解方程得到温度值 , 得到的计算结 果精度较高。 3 工程实例 3 1 工程概 况 本文以福银高速公路九江长 江公 路大桥为 例 , 利用 M I D A
11、S进行温控有限元分析, 桥梁全长 2 5 4 3公里, 为双塔不等跨混合梁斜拉桥。本次 温控为九江长江公路大桥 B 1合同段主墩承 台、 墩身起步段温控 , 限于篇幅, 文中仅列出承台计算 的模型与结果 。 3 2 计算边界条件 ( 1 ) 取封底混凝土底面及侧面与基坑支护接 触面温度等于周围土体温度 1 0 C; ( 2 ) 根据热工 计算 , 承 台侧面放 热系数 : = 6 6 k c a l m h o C =2 7 5 9 k J m ho C: ( 3 ) 混凝土分层浇筑时 , 层 间结合面和承台 顶面采用蓄水和草袋覆盖进行保温、 保温养护 , 则 放热系数 : = 3 8 k c
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