水工混凝土温度应力分析和温控防裂研究

摘要

大体积混凝土在现代工业和民用建筑中占据着重要的地位，特别是水工大体积混凝土结构，经常在短时间内进行大块体整体浇筑。这类结构在水泥水化过程中会释放出大量的水化热而引起混凝土温度升高，内表较大的温度梯度使结构产生温度应力，同时叠加干缩应力等而引起裂缝；这些裂缝常常给工程带来不同程度的危害，有的甚至危及建筑物的安全。因此，控制温度应力和温度裂缝，是大体积混凝土结构施工中一个重要的问题。本文针对这一问题，结合白沙水库水闸工程，对水工大体积混凝土结构温度应力及温控防裂进行了深入研究，主要内容有以下几个方面： 1．利用有限元软件ANSYS强大的前后处理及计算能力精确模拟大体积混凝土施工过程，综合考虑混凝土弹性模量、水化热温升、气温、水温随龄期的变化，分层分块浇筑、后浇带技术等施工方法，实现混凝土结构温度场及应力场的有限元计算。 2．考虑到混凝土水管冷却的复杂性及现有计算机性能在水管冷却混凝土有限元计算中的局限性，引入等效热传导方程对水管冷却混凝土进行仿真计算。 3．考虑混凝土复杂的徐变特性，利用ANSYS开放的程序接口，采用VB语言编写用户子程序对其进行二次开发，实现在ANSYS中进行混凝土弹性徐变温度应力的增量计算。 4．根据水工混凝土结构的特点，采用合理的湿度运移数学模型，结合初始条件和边界条件，综合考虑影响湿度扩散的各种因素，探讨湿度场计算中混凝土湿度扩散系数和表面水分交换系数的数学表达式；得出一套相对完整的混凝土湿度扩散及干缩应力的计算体系。 5．结合白沙水库水闸工程，针对中小型水闸混凝土温控问题提出一套相对完善的水闸混凝土施工温控设计方法和在施工中进行动态控制的操作方案，达到不仅有效防止水闸混凝土出现温度裂缝，而且克服在施工中采取温控防裂措施盲目性的目的。 整个理论研究与实际工程紧密结合，不仅从理论上对各种温控措施进行了深入研究，而且从实践上验证了理论的正确性，并积累了丰富的现场施工经验。

目录

文摘

英文文摘

第一章绪论

1.1课题提出的背景及研究意义

1.1.1大体积混凝土结构物理力学特性

1.1.2大体积混凝土温度应力成因分析

1.1.3水工混凝土结构温度应力研究背景及意义

1.2国内外温控防裂研究现状

1.3常用温控措施及施工经验介绍

1.4本课题的主要研究内容及创新点

1.5本章小结

第二章热力学基本原理和有限元理论

2.1热传导方程

2.1.1非稳定温度场热传导方程及边界条件

2.1.2分层浇筑混凝土热传导方程

2.2温度场计算的有限单元法

2.2.1有限单元法

2.2.2非稳定温度场的有限元计算

2.3弹性温度应力计算原理

2.4弹性徐变温度应力理论

2.5有限元软件ANSYS介绍

2.5.1 ANSYS功能介绍

2.5.2 ANSYS分析流程

2.6本章小结

第三章白沙水库水闸工程

3.1工程概况

3.2温控防裂技术方案

3.2.1选择合理的浇筑季节

3.2.2原材料选择与配合比

3.2.3控制骨料和混凝土出机口温度

3.2.4选择合理的浇筑次序，分层浇筑混凝土

3.2.5水管通水冷却

3.2.6后浇带技术应用

3.2.7混凝土养护

3.3测温点布置与温度观测结果

3.3.1测温点布置

3.3.2实测温度结果

3.4本章小结

第四章水闸混凝土弹性温度应力分析

4.1有限元模型及初始条件和边界条件

4.1.1单元类型选取

4.1.2 ANSYS混凝土闸墩模型

4.1.3计算参数选取

4.2温度场计算及结果分析

4.2.1右边墩温度场

4.2.2中四墩温度场

4.3中三墩通水冷却温度场分析

4.3.1混凝土水管冷却的等效热传导方程

4.3.2中三墩温度场

4.4温度应力计算

4.4.1计算参数选取

4.4.2计算过程

4.5混凝土温度应力计算结果分析

4.5.1右边墩温度应力

4.5.2中四墩温度应力

4.5.3中三墩及底板温度应力

4.6本章小结

第五章混凝土温度应力中的徐变和干缩应力效应

5.1混凝土早期应变

5.2弹性徐变温度应力理论

5.3混凝土徐变的增量计算

5.4弹性徐变温度应力计算结果分析

5.5混凝土结构的湿度场与干缩应力

5.6混凝土湿度场及应力场数学模型

5.6.1湿度扩散理论数学模型

5.6.2计算参数的选取及其对影响因素的反映

5.6.3湿度—干缩应力本构关系

5.7数学模型转换

5.8水闸混凝土湿度场与干缩应力

5.8.1湿度场计算结果分析

5.8.2干缩应力计算结果分析

5.9湿度场和干缩应力研究结论

5.10本章小结

第六章水闸混凝土温控施工动态控制

6.1水闸温控动态控制原理

6.1.1资料收集与仿真计算

6.1.2温控方案设计

6.1.3施工动态控制

6.2工程应用

6.2.1工程措施分析

6.2.2温度场仿真计算

6.2.3一期混凝土施工结果对比

6.2.4动态控制理论计算

6.2.5二期及三期混凝土浇筑结果分析

6.3结论

结 语

参考文献

后 记