大体积混凝土温度应力场变化分析
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第30卷第1期 2013年3月 土木工程与管理学报 Vol_30 No.1 Mar.2013 Journal of Civil Engineering and Management 大体积混凝土温度应力场变化分析 谭广柱 , 刘书贤 , 张弛 , 麻凤海 (1.辽宁工程技术大学2.辽宁工程技术大学产业开发处,辽宁土木工程学院,辽宁阜新阜新123000; 123000; 3.本溪钢铁集团建设有限责任公司,辽宁4.大连大学摘建筑工程学院,辽宁本溪1 17000; 大连116622;) 要:大体积混凝土水泥水化放热产生的大量热量,由于边界条件的存在和,温度场和应力场的存在非 常容易破坏混凝土,所以大体积混凝土温度场和应力场是其施工质量的关键因素。通过对大体积混凝土温度 场和应力场的现场测试,基于现场实际的测量方案,建立正确的数值分析计算模型,根据大体积混凝土的现场 力学性能非线性增长的特性,分析养护过程中大体积混凝土的温度应力场的分布、变化过程,通过对比现场测 试和数值计算的结果分析可知:需要实时监测大体积}昆凝土的温度场和现场气象状况,采取合理的养护方案, 保证水泥水化放热能够及时散出,为有效控制大体积混凝土灾害温度应力场的产生和温度裂缝提供理论支持, 其结果可为类似的大体积混凝土工程提供借鉴参考。 关键词:大体积混凝土;温度场;温度应力;有限元;数值分析 中图分类号:TU352.1 文献标识码:A 文章编号:2095-0985(2013)01-0020-05 Analysis on Temperature Stress Field Change of Mass Concrete TAN Guang.zhu ,LIU Shu—xian ,ZHANG Chi ,MA Feng—hai (1.Industry Development Division,Liaoning Technical University,Fuxin 123000,China; 2.College of Civil Engineering,Liaoning Technical University,Fuxin 1 23000,China; 3.Benxi Iron and Steel Group Construction Co Ltd,Benxi 1 1 7000,China; 4.College of Civil Engineering and Architecture,Dalian University,Dalian 1 1 6622,China) Abstract:As the cement hydration reaction gives off a lot of heat in casting maintenance process of mass concrete,and boundary conditions of the constraints led to the existence of temperature stress, temperature field is the core and key factor of mass concrete in the construction quality contro1.Based on the actual measurement system,the correct numerical calculation model is established.According to the real construction process of temperature measuring and temperature control,a more reasonable ifnite element analysis model is established.Through the consideration of the actual mechanics performance of concrete nonlinear characteristics growth,the process of mass concrete construction in the change of temperature is analyzed.The temperature field distribution and stress distribution situation,as well as the temperature field of mass concrete and the weather condition need real—time monitoring,and take reasonable maintenance plan in order to ensure that cement hydration heat can prompt scattered out.The numerical analysis results make a good agreement with the measured data, the results can be the reference for other similar projects. Key words:mass concrete;temperature field;temperature stress;finite element;numerical analysis 热造成的,大体积混凝土的温度裂缝主要是由水泥水化 为了提高大体积混凝土结构的施工质 量 于 ,必须控制大体积混凝土施工和养护过程中由 水泥水化放热所产生的温度变化和温度应力。 收稿日期:2012-05-18修回日期:2012-06-05 作者简介:谭广柱(1974一),男,辽宁海城人,硕士,工程师,研究方向为}昆凝土结构理论(Email:lntuliushuxian@163.con1) 基金项目:国家自然科学基金(51174038);辽宁省教育厅科研项目(L20121l1);中国煤炭工业协会科学技术研究指导性计划项目 (MTKJ2012.319);辽宁工程技术大学市场调研信息立项基金(SCDY2012010) 第1期 谭广柱等:大体积混凝土温度应力场变化分析 ・21・ 由于大体积混凝土结构体系自身的复杂性和所处 环境的多样性,大体积混凝土的开裂问题必须考 虑其养护过程中温度应力的影响 。 A =一A (4) 式中,A为导热系数,kJ/(m・h・oC)。 1.2数学模型 对于大体积混凝土温度应力场的研究分析, 美国主要是利用有限元时问过程的分析方法,日 本则主要是利用约束系数矩阵法;在法国和英国 ABAQUS、ANSYS等有限元分析软件则应用比较 广泛。美国的威尔逊教授 是最早利用有限元 时间过程分析法来分析混凝土温度场的;日本的 考虑到现场施工中的大体积混凝土工程的实 际边界条件的影响因素较多,需要依据实际工程 的详细情况来确定边界条件。基于四维温度场理 论的大体积混凝土的数学力学模型为: 专家学者 不仅考虑了混凝土徐变应力场的计 f + 1(0a一0 rOT)=0 (5) 算,而且对温度应力场也进行了深入研究;我国朱 { ( ): ) (初始条件) 伯芳院士 编制了我国第一个用于计算混凝土 温度徐变应力的有限元程序,并将其应用于三门 峡重力坝温度应力分析中;刘光廷 等将断裂力 学的研究成果融入功能强大的仿真程序中,应用 “人工短缝”成功地解决了溪柄碾压混凝土薄拱 坝两岸的温度拉应力问题。 为了更进一步的分析研究在养护过程中大体 积混凝土裂缝控制方法,本文基于大体积混凝土 四维温度场与温度应力场理论,通过现场实测,利 用有限元模拟分析具体工程的大体积混凝土四维 温度场,分析数值模拟结果与现场实测结果的温 度场变化趋势及吻合度,以验证数值模拟结果的 可靠性和准确性,为大体积混凝土工程施工方案 制定提供理论依据。 1 大体积混凝土四维温度场理论 1.1基本概念 “四维温度场”理论是指在三维空间( ,Y, ) 的基础上考虑时间一维t的温度场,此时为不稳 定的三维瞬态温度场: T=T( ,Y,Z,t) (1) 等温面是指在某一时刻,温度场内具有相同 的温度值各点所构成的一个曲面;温度梯度是指 在温度场内的某点的最大升温速率的单位矢量, 可表示为: AT=no aT= a凡Ox+ + (2) 式中, 为单位矢量,沿等温面的法向的温度增 加方向。在单位时间内的单位面积所通过的热量 为热流密度(W/m ),R[J q=÷ 。 根据热传导定律,热流密度和温度梯度之间 的函数关系可表示为: q=一A V T=一noa 0—1 (3) 【根据具体情况给出的边界条件 本文需要对某综合楼大体积混凝土基础的温 度场在空间域和时间域中的实际分布进行分析研 究,参考文献[5~10]‘‘四维温度场”理论中的实 际计算模型的相关知识,建立该大体积混凝土基 础四维温度场的理论计算模型如下: fIl V2l T+ 1(a o一 OT)=0 =To(P) { . ” (6) l l= (P,t) I . 1.3 控制大体积混凝土温度裂缝的方法 大体积混凝土的温度裂缝在施工养护过程中 分为升温过程和降温过程: 大体积混凝土处于升温阶段时: orr 一%+ 0++丽 丽△ (7) 大体积混凝土处于降温阶段: 0.05o- .一 + 丽 =。。+ 0+ __ 瓦 差 △ (8) 定义温度应力: (t)= (t)+ N(t) (9) 其中:or (t)为外界约束条件下,大体积混凝 土整体变形所产生的应力, (t)的产生主要是 由于在外界约束存在的条件下,大体积混凝土结 构内部由水化放热所导致的最高温度 降至周 ・22・ 土木工程与管理学报 2013年 围环境温度T (t)产生的收缩应力所引起的; ( )为内部约束条件下,大体积混凝土表面质点与 内部质点所产生的应力,应力 (t)是在内部约 束条件下,由大体积混凝土结构的中心与其表面 温度之差△ (t)产生的变形不协调所产生的。 温度差值△ 为: AT(t)=[ +T(t)一 (t)一Td(t)] l 一 (t)ll£=to (10) 式中,t 为大体积混凝土结构内部温度降至环周 围境温度时的时间;Td(£)为大体积混凝土非收缩 应力所产生的收缩当量温度; (t)为大体积混凝 土结构所处的环境温度值; 要控制大体积混凝土结构的温度裂缝,需要 满足以下条件: Rf(t)> N(t)+or:( )+or (t)+ o(£) 一 (t) (11) 其中,R,(f)为大体积混凝土结构在养护过程处于 t龄期时的抗拉强度; :(t)为外界约束条件下,大 体积混凝土结构降温产生的应力;ro。(f)为其它环 境因素约束所产生的应力;or (t)为混凝土结构 由于徐变所产生的应力。 2 工程实例 2.1工程概况及计算模型 某圆形基础,外部直径35 1Tl,内部直径10 1TI, 厚度4 m,属于典型的大体积混凝土,板面标高为 一5.7 m,板底标高为一7.7 m,设置二条后浇式膨 胀加强带,后浇式膨胀加强带宽度为2一 一一加加 ~一. in,将底板 分成三块。底板后浇式膨胀加强带以外混凝土为 补偿收缩混凝土,强度等级为C30,抗渗等级P6; 后浇式膨胀加强带混凝土强度等级为C35,抗渗 等级为P6,并掺加膨胀剂,在地下室外墙浇筑前 完成,分析模型如图1所示。 图1有限元分析模型 在有限元分析计算过程中,考虑到能量守恒 原理,需要利用数值分析软件ANSYS热分析来完 成,选取具有三个方向的热传导能力Solid70三维 热实体单元,它可以实现匀速热流的传递… 。 该筏板基础大体积混凝土的热力学性能以及物理 力学性能参数如表1。 表1计算参数 名 称 取值 砼材料的导热系数A[kJ/(m・h・oC)] 土的导热系数A[kJ/(m・h・oC)] 砼木模热交换系数 。[1(J/(nl・h・℃)] 养护过程热交换系数 kJ/(m・h・℃)] 大体积砼初始温度 (℃) 砼周围空气温度 (℃) 线性膨胀系数(oc) 泊松比 2.2现场测试数据分析 为了保证数值分析的可靠性、准确性和对比 性,首先对工程施工中大体积混凝土的温度变化 和应力场变形进行分析。 为了保证测量方案具有较好的代表性,准确 掌握大体积混凝土结构的温度场变化过程,将该 基础分为上、中、下三组多个温度测试点,以保证 能够同时准确测试不同深度部位的混凝土内部温 度变化过程;具体布置见图2。 /一 \ ) 图2测温点布置 通过现场监测获得的大体积混凝土各个部位 的温度变化曲线如图3~8所示。 图3养护过程中基础A处的温度变化 通过分析大体积混凝土基础的温度变化曲线 和温度应力变化可以看出:在养护的过程中,随着 大体积混凝土水泥水化热反应的结束及混凝土热 量的不断散失,大体积混凝土基础逐渐完成了由 升温阶段向降温阶段的过渡。 浇筑初期大体积混凝土的温度是呈线性变化 上升的,随着养护时间的不断增加,大体积混凝土 第1期 谭广柱等:大体积混凝土温度应力场变化分析 ・23・ 赠 ∞ 如 如 加 m O 图4养护过程中基础B处的温度变化 羹 50 -一】. 一-t.-一 举器 景 凄 图5养护过程中基础C处的温度变化 1.0×1 06 8.0X1 05 ∞6.0×1 4 0×105 2O×10 0.0 .2.0×10 图6养护过程中基础A处的温度应力变化 。'、、—≥ I'4 如 如: 养护过程中基础B处的温度应力变化 。~ . 。6 1。8 2 2 2。6: 图8养护过程中基础C处的温度应力变化 基础的中心部分温度迅速增加,并且温度峰值出 现在厚度相对较大的部位。在短时间内,大体积 混凝土温度增加了40%,此时由于结构边界条件 的约束,在不利组合条件下将可能超过混凝土的 抗拉强度而导致温度裂缝的出现。基于此,在工 程现场进行施工时,应该对大体积混凝土的温度 场和现场气象状况进行连续的实时监测,采取适 合于当地实际情况的养生方式,在养护期间需要 根据天气的变化状况,定期对 昆凝土结构洒水,保 证混凝土内部相对湿度的基本稳定。 2.3大体积混凝土温度场有限元数值分析 为了能够显示大体积混凝土在养护过程中, 其温度应力场的分布变化过程,利用有限元分析 软件ANSYS对其养护过程进行分析,如图9所 示。 通过分析图lO~12可知,在整个养护的过程 中,大体积混凝土的放热升温过程一般是在3~4 天内基本完成,浇筑养护的过程中期温度变化的 升温速率一般可以达到0.4℃/h左右;当温度达 到峰值后一般能够维持18 h左右,之后的养护过 程中,大体积混凝土开始进入温度下降状态,一般 持续18天左右,之后的温度场的分布比较均匀, 降温基本趋于稳定。在后期养护过程中,高温集 中区始终存在于大体积混凝土基础的内部,降温 速度比较缓慢的也同样出现在厚度相对较大的部 位。养护实际到达20天以后,大体积混凝土的温 度场基本上是均匀分布的,并且逐渐趋于稳定。 从空间角度分析发现由于大体积混凝土水化 热效应的显著性导致其应力分布呈现出不均匀性 的特点,这主要是由于大体积混凝土不同部位与 周围环境进行热交换的差异所引起的,基础 上表面与环境的空气发生热交换,热量散失较好, 故其温度曲线明显低于中心和底部温度曲线;而 基础的下表面和中心由于与外界接触的面积 较小,加之边界约束条件的,发生热交换不够 充分,故而温度较高。 通过对比数值分析结果与现场监测的数据可 知:大体积混凝土的温度变化曲线虽然发展变化 趋势吻合较好,但是数值分析的曲线明显比现场 测试的数据曲线要光滑,这主要是由于在有限元 分析中未考虑施工工艺、养护条件的偶然性变化 以及弹性模量、边界条件、热力学公式等参数的选 择过于理想化,导致数值分析与现场实测曲线不 一样,说明ANSYS模拟分析大体积混凝土温度场 变化趋势是基本可行的,但是仍存在一定的误差。 ・44・ 土木工程与管理学报 2013正 晏,刘新荣.深基坑开挖对临近建筑 ] ] ] ] tures displacement and design[J].Geotechnique, 1992,42(4):541—767. 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