大体积混凝土水化热的温度场和应力场的分析方法研究

摘要

随着我国建筑事业的蓬勃发展，建筑规模不断扩大，大体积混凝土结构已经广泛运用于土木工程领域。然而在大体积混凝土结构的施工过程中，水化热问题一直被工程界所关注。大体积混凝土浇筑以后，由于水化热在大体积混凝土结构内部产生了非常多的热量，然而这些热量产生以后，由于混凝土的导热性能很差，使得结构内部温度上升较快，有的温度上升幅度甚至可以达到50度以上，加上大体积混凝土的结构尺寸较大，这样内外形成了很大的温度梯度和温度应力。在这种情况下容易产生裂缝，一旦裂缝产生，将严重影响结构的安全、美观、抗渗和耐久性等。基于此，关于大体积混凝土水化热方面的研究一直被工程结构界所关注。对于大体积混凝土结构的研究，在水工结构领域已比较多，而在工业与民用建筑、桥梁工程中，研究较少。随着现代化建设的不断进行，越来越多的结构用到了大体积混凝土，这样对其结构的温度场和温度应力的理论研究也显得更加地迫切与需要。
　　随着计算机技术和应用的迅速发展，日趋完善的有限元分析方法在工程中得到了越来越广泛的应用。因此我们可以采用有限元法面向对象开发实用程序，便于求解温度场和应力场对结构的影响。本文首先通过查阅相关资料和文献，对国内外关于该课题的研究进行了大概的了解;然后在此基础上运用有限元的基础知识推导了大体积混凝土水化热温度场和应力场的有限元列式;通过编写大体积混凝土水化热程序，分别用三维20节点单元模拟混凝土和三维桁架单元模拟钢筋分析了大体积混凝土水化热时温度场和应力场的问题;通过在ABAQUS中建立有限元模型进行计算并将结果和程序的计算结果进行了对比，证实了本文所编写程序的正确性，该程序可以单独计算素混凝土和配筋的混凝土的温度场和应力场的问题。由于大体积混凝土结构断面尺寸较大且一般很少配筋，因此现在关于大体积混凝土的研究一般很少考虑钢筋的作用，这是不准确的，本文充分考虑了钢筋对大体积混凝土温度场的影响，通过与专业软件ABSQUS对比，证实了本文所提出方法的正确性和可行性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 大体积混凝土水化热的研究现状及发展趋势

1．1．1 大体积混凝土水化热的研究现状

1．1．2 大体积混凝土水化热的研究发展趋势

1．2 面对对象有限元程序设计方法

1．2．1 有限单元法概述

1．2．2 有限单元法基本思路和解题步骤

1．2．3 面对对象有限元程序设计的基本原理

1．3 本文工作

第二章 大体积混凝土水化热的相关理论

2．1 大体积混凝土的定义及特点

2．1．1 大体积混凝土的定义

2．1．2 大体积混凝土结构的特点

2．2 水化热产生机理及危害

2．2．1 水化热产生机理

2．2．2 水化热对大体积混凝土结构的危害

2．3 混凝土水化热的计算和绝热温升

2．3．1 混凝土水化热的计算

2．3．2 混凝土的绝热温升

第三章 三维实体单元温度场和应力场的有限单元法

3．1 空间问题本构关系

3．2 基本单元类型

3．2．1 单元形函数

3．3 空间等参单元的有限元列式

3．3．1 坐标变换

3．3．2 位移模式

3．3．3 应变、应力计算方法

3．3．4 单元刚度矩阵

3．3．5 等效节点荷载计算方法

3．4 空间问题的数值积分方法

3．4．1 空间问题的体积微元变换

3．4．2 关于六面体体积的数值积分方法

3．4．3 关于空间四边形的数值积分方法

3．5 空间热学问题有限单元法

3．5．1 热学基本概念

3．5．2 温度场控制微分方程

3．5．3 温度场控制微分方程的定解条件

3．5．4 微分方程的等效积分形式

3．6 温度场有限元列式

3．6．1 域内微分方程的加权残差积分

3．6．2 边界条件的加权残差积分

3．6．3 总体有限元列式

3．7 一阶常微分方程组的求解方法

3．7．1 求解一阶常微分方程组的直接积分法

3．7．2 用加权余量法建立两点循环公式

3．7．3 一阶常微分方程组的数值求解的算法步骤

3．8 温度场和应力场的连续分析

3．8．1 连续分析的思路

3．8．2 温度荷载的有限元法求解

3．8．3 温度场与应力场连续分析问题的外荷载

3．9 小结

第四章 三维桁架单元的温度场和应力场的有限单元法

4．1 空间桁架单元

4．1．1 位移分析

4．1．2 应变、应力分析

4．1．3 单元刚度矩阵计算

4．1．4 单元平衡方程

4．2 温度场的有限单元法

4．2．1 空间杆系的具体计算方法

4．2．2 计算温度引起的荷载

第五章 面对对象程序设计

5．1 程序总体说明

5．1．1 具体程序实现及代码说明

5．2 温度场计算

5．3 应力场计算

第六章 程序验证及其算例对比

6．1 ABAQUS热分析简介

6．2 三维实体单元(混凝土)的验证

6．2．1 静力分析的验证

6．2．2 瞬态温度场分析的验证

6．2．3 温度场对应力场影响的验证

6．3 三维桁架单元(钢筋)的验证

6．3．1 静力分析的验证

6．3．2 瞬态温度场分析的验证

6．3．3 温度场对应力场影响的验证

6．4 钢筋混凝土的验证

6．4．1 静力分析的验证

6．5 钢筋对大体积混凝土结构温度场的影响

6．5．1 修改参数法的实现

6．5．2 具体实例的验证

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

致谢

参考文献

在学期间发表的论著及取得的科研成果