冻融环境下混凝土结构温度场及温度应力分析研究

摘要

冻融环境下混凝土结构由于内部温度场分布的变化将引起周期性温度应力，由此造成混凝土内部结构出现损伤，可能影响到混凝土结构的正常使用，继而引起构件承载能力的衰减，最终将危及到整个结构的安全，因此开展冻融环境下混凝土结构温度场及温度应力的研究具有重要的现实意义。
　　论文在总结了国内外已有的混凝土温度场及温度应力研究成果的基础上，通过试验室实测和有限元模拟两条途径，综合考虑冻融循环作用中热量传递过程，研究了混凝土结构及钢筋混凝土结构温度场及温度应力随冻融过程的变化规律，从传热角度完善了混凝土冻融破坏的损伤机理，并提出了用冻融过程中混凝土内部主拉应力与其抗拉强度来判定混凝土开裂的损伤判据。
　　试验环节设计了三种耐久性级别的混凝土圆柱体试件，测试试件在饱水和绝水两种状态下其内部温度场随冻融过程的变化情况。各组试件在试验室人工快速冻融环境中，由预先埋设在内部热电偶测得各测点处的温度值，由此对比得到了耐久性等级对混凝土内部温度场分布的影响，以及同一试件内部不同位置处温度随冻融过程的变化规律；通过试验结果还发现，随着冻融循环次数的增加，由于混凝土内部结构出现损伤而导致其热力学性能发生衰变，由此使得冻融作用引起的温度场分布规律随之发生变化。为将研究进一步推广至钢筋混凝土结构，本文还进行了内置钢筋的混凝土试件冻融温度场的测试，探讨了钢筋对混凝土内部温度场分布、变化规律的影响。
　　论文的另一部分工作是通过大型通用有限元软件 ANSYS对冻融环境下混凝土内部温度场及温度应力进行了数值计算分析，得出了相应的模拟计算值。通过与实测值比较后发现二者吻合良好，验证了有限元分析方法用于计算混凝土冻融温度问题的可行性及可靠性。
　　论文最后提出了利用冻融过程中混凝土内部主拉应力与其抗拉强度来判定混凝土开裂的损伤判据，给出了混凝土开裂风险的计算方法，并对一些影响冻融环境中混凝土结构温度应力的因素进行了数值分析，提出了控制混凝土产生过大冻融温度应力的几点建议。

目录

冻融环境下混凝土结构温度场及温度应力分析研究

ANALYTICAL STUDY OF TEMPERATURE FIELDAND TEMPERATURE STRESS OF CONCRETESTRUCTURE UNDER FREEZING AND THAWINGENVIRONMENT

摘要

Abstract

第1章 绪论

1.1 研究背景、目的及意义

1.2 国内外关于混凝土结构耐久性研究现状及分析

1.2.1 冻融循环作用下混凝土破坏机理

1.2.2 混凝土抗冻耐久性的主要影响因素

1.2.3 混凝土温度场及温度应力的研究

1.2.4 研究状况综述

1.3 本文研究内容

第2章 冻融环境下混凝土结构温度场实测试验研究

2.1 试验概况

2.2 混凝土测温试件设计

2.2.1 试件设计

2.2.2 试验原材料

2.2.3 测温点布置

2.2.4 测温方案及设备

2.2.5 试件制备

2.3 冻融试验设计

2.4 冻融循环试验

2.5 混凝土基本力学性能试验

2.6 试验现象及温度场测试结果

2.6.1 冻融试验现象

2.6.2 力学性能试验测试结果

2.6.3 冻融温度场测试结果及数据整理

2.7 本章小结

第3章 冻融环境下混凝土结构温度场及温度应力有限元计算分析

3.1 温度场计算方法研究

3.1.1 温度场求解的热传导原理

3.1.2 瞬态温度场有限元计算原理

3.1.3 温度场有限元计算的实现

3.2 温度应力计算方法研究

3.2.1 计算原理

3.2.2 温度应力有限元计算的实现

3.2.3 冻融环境下温度应力引起的损伤判据

3.3 温度场及温度应力有限元计算

3.3.1 混凝土温度场及温度应力计算

3.3.2 钢筋混凝土温度场及温度应力计算

3.4 本章小结

第4章 有限元分析结果与试验结果对比分析

4.1 温度场有限元计算结果与试验实测结果对比分析

4.1.1 混凝土温度场ANSYS 计算结果与实测值的对比

4.1.2 分析计算值与实测值产生差异的原因

4.2 温度应力结果分析

4.2.1 混凝土试件内部主拉应力与混凝土抗拉强度的对比

4.2.2 参数分析

4.3 本章小结

结论

参考文献

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致谢