高寒地区大体积混凝土表面保温效果仿真计算研究

摘要

大体积混凝土结构在工程中的应用越来越广泛,由于温度变化而引起的裂缝是长期困扰人们的问题。在冬季负温季节或者突遇寒潮时,表层混凝土的温度梯度很陡,使混凝土表面的拉应力超限而产生很多表面裂缝,特别是当混凝土的龄期还很短,抗拉强度还很低,更容易产生裂缝。在混凝土表面铺设一定厚度的保温板可以有效的降低混凝土表面的拉应力,防止裂缝的产生。因此,研究大体积混凝土表面保温板的保温效果是很有意义的。本文依据大体积混凝土的温度场和温度应力场的有限单元法计算理论,以大型通用软件ANSYS为平台,采用APDL语言编制了碾压混凝土重力坝施工期和运行期的温度场、温度应力场的仿真计算程序。该程序在编制过程中考虑了碾压混凝土分层浇筑、施工间歇、弹性模量变化、绝热温升过程、环境温度的变化、混凝土徐变、不同蓄水高程等因素对坝体温度场及应力场的影响。用“生死”单元模拟混凝土的浇筑过程。在混凝土还没有浇筑的时候,单元是“死”的,没有温度值和应力值；当混凝土浇筑以后,激活单元,其温度场和应力场开始发展,这样就能形象的模拟和仿真混凝土的浇筑过程,计算出来的结果可以比较真实的反映大体积混凝土的真实工作性态。本文结合某高寒地区的碾压混凝土重力坝,采用表面散热系数法计算了无保温板覆盖和有不同厚度的保温板覆盖条件下的坝体温度场和温度应力场,并专门分析计算了寒潮对混凝土表面应力的影响。计算结果表明,在大坝上下游面铺设6cm厚的XPS保温板,进行长期永久保温,减弱了混凝土与外界的热交换,提高了混凝土表面的温度,使原来表层混凝土温度梯度变化最陡部位发生在保温材料内,而使表层混凝土温度变化速度减缓,梯度变平,从而减小冬季或突遇寒潮时表层混凝土的温度应力,有效的防止了表面裂缝的产生。同时,还分析了保温板的厚度、种类、保温时间、外界环境温度年变幅对混凝土表面保温效果的影响,对选择合适的保温板具有一定的参考价值。

目录

摘要

Abstract

1 绪论

1.1 问题的提出

1.2 大体积混凝土的定义及其结构特点

1.2.1 大体积混凝土的定义

1.2.2 大体积混凝土结构的特点

1.3 大体积混凝土的温度应力

1.4 大体积混凝土温控问题的研究方法和现状

1.4.1 大体积混凝土温控问题的研究方法

1.4.2 大体积混凝土温控问题的研究现状

1.5 大体积混凝土表面保温的研究发展现状

1.6 本文的主要目的及内容

1.6.1 本文的主要目的

1.6.2 本文的主要内容

2 大体积混凝土温度场和温度应力场有限元计算基本原理

2.1 大体积混凝土温度场基本理论

2.1.1 热传导方程

2.1.2 热传导问题的定解问题

2.1.3 混凝土主要温度特性参数说明

2.2 三维有限元基本理论

2.3 大体积混凝土温度场的有限单元法

2.3.1 大体积混凝土稳定温度场有限元计算公式

2.3.2 大体积混凝土非稳定温度场有限元计算公式

2.4 大体积混凝土应力场的有限单元法

2.4.1 单向应力状态下的应力应变增量关系

2.4.2 复杂应力状态下的应力应变增量关系

2.4.3 各时段应力计算平衡方程

2.4.4 单元应力

3 大体积混凝土表面保温

3.1 概述

3.2 大体积混凝土表面保温的计算方法

3.2.1 等效表面散热系数法

3.2.2 等效厚度法

3.3 大体积混凝土表面保温材料

4 温度场及徐变应力场仿真分析的ANSYS方法

4.1 ANSYS热分析简介

4.1.1 控制微分方程

4.1.2 ANSYS热分析的传递方式

4.1.3 ANSYS热分析分类

4.1.4 热分析的边界条件、边界条件

4.2 用ANSYS模拟混凝土温度场的可行性

4.3 计算仿真技术处理

4.3.1 浇筑过程

4.3.2 温度初始条件

4.3.3 边界条件及生热率

4.3.4 热-结构耦合场分析

5 大体积混凝土表面保温效果分析工程实例

5.1 工程概况

5.2 工程基本资料

5.2.1 坝址区的气温和水温资料

5.2.2 混凝土的热力学性能参数

5.2.3 施工进度及蓄水过程

5.3 温控方案

5.4 ANSYS仿真计算程序的设计

5.5 计算模型及坐标系

5.6 计算成果分析

5.6.1 稳定温度场计算结果分析

5.6.2 非稳定温度场计算成果分析

5.6.3 温度应力场计算成果分析

6 寒潮期间混凝土表面保温效果研究

6.1 基本资料

6.2 寒潮对混凝土的影响深度分析

6.3 寒潮期间混凝土表面的温度场和应力场计算

6.3.1 计算方案

6.3.2 温度场的计算

6.3.3 温度应力场的计算

7 结论和展望

7.1 结论

7.2 展望

致谢

参考文献

附录