收藏 分销(赏)

混凝土箱梁早期温度裂缝的影响因素.pdf

上传人:w****8 文档编号:44390 上传时间:2021-06-03 格式:PDF 页数:4 大小:325.77KB
下载 相关 举报
混凝土箱梁早期温度裂缝的影响因素.pdf_第1页
第1页 / 共4页
混凝土箱梁早期温度裂缝的影响因素.pdf_第2页
第2页 / 共4页
混凝土箱梁早期温度裂缝的影响因素.pdf_第3页
第3页 / 共4页
混凝土箱梁早期温度裂缝的影响因素.pdf_第4页
第4页 / 共4页
亲,该文档总共4页,全部预览完了,如果喜欢就下载吧!
资源描述

1、第 3 8卷第 2期 2 0 1 2年 4月 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e l 01 混凝土箱梁早期温度裂缝的影响因素 袁明虎 , 史建朋 , 张同舟 ( 1 长安大学理学院, 陕西 西安7 1 0 0 6 4; 2 林同梭国际工程咨询( 中国) 有限公司, 重庆4 0 1 1 2 1 ) 摘要: 调查研究发现, 大量混凝土箱形梁桥存在严重的早期温度收缩开裂问题。本文以实际工程为背景, 围绕混 凝土早期温度场理论按排除法的思想, 运用大型有限元分析软件 A N S Y S , 对箱形混凝土梁的早期温度裂缝的各种 因素进

2、行了详细的分析研究。分析结果显示 , 该工程中由早强剂引起的温度收缩产生的拉应力高达 4 MP a , 蒸汽养 护不当亦可产生很大拉应力。结果表明: 混凝土箱梁施工, 选择添加剂时要仔细考查其性能和对混凝土的影响, 宜 选择可降低混凝土早期温度, 并引起较大收缩的添加剂; 应重视温控措施, 以避免混凝土早期温度过高而引起混凝 土收缩, 导致混凝土产生裂缝。 关键词: 箱形混凝土梁; 温度应力 ; 早期温度收缩; 水化热; 裂缝控制 中图分类号 : T U 3 7 5 1 文献标识码 : A 文章编号 : 1 0 0 81 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 21 0 1 0 4 Th e

3、i n flu e n c i n g f a c t o r s o f t he t e mp e r a t ur e c r a c k o f c o n c r e t e b o x g i r d e r s a t t h e e a r l y s t a g e YU AN Mi n g h u , S HI J i a n p e n g , Z HANG T o n g z h o u ( 1 C o l l e g e o f S c i e n c e , C h a n g a n U n i v e r s i t y , X i a n 7 1 0 0 64

4、 , C h i n a ; 2 T Y L i n I n t e r n a t i o n a l ( C h i n a )E n g i n e e ri n g C o n s u l t a t i v e C o , L t d , C h o n g q i n g 4 0 1 1 2 1 , C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e r e s e a r c h s h o ws t h a t t h e r e i s a s e ri o u s p r o b l e m o f t e mp e r a t u r e - s h r

5、in k a g e c r a c k i n g a t e a r l y p e ri o d i n a l a r g e n u mb e r o f c o n c r e t e b o x b e a m b rid g e Ac c o r d i n g t o p r a c t i c a l e n g i n e e ri n g b a c k g r o u n d, t h i s p a p e r a d o p t s a l arg e s c ale o f fi n i t e e l e me n t a n aly s i s s o f

6、t w a r e A N S Y S t o a n al y s e t h e v a ri o u s f a c t o rs i n d e t a i l a b o u t t h e t e m p e r a t u r e c r a c k s o f c o n c r e t e b o x gi r d e r i n t h e e a d y s t a g e b y t e m p e r a t u r e fi e l d t h e o r y a n d e x c l u s i v e me t h o d T h e r e s u l t

7、o f ana l y s i s r e v e al t h a t t h e t e m p e r a t u r e - s h ri n k a g e t e n s i l e s t r e s s o f t h e p r o j e c t S c o n c r e t e u p t o 4 MP a c a u s e d b y e a r l y s t r e n g t h a g e n t , a n d i mp r o p e r ma i n t e n a n c e - s t e a m c a n b e g e n e r a t e

8、 d c o n s i d e r a b l e t e n s i l e s t r e s s T h e r e s ult s s h o w t h a t w h e n s e l e c t a d d i t i v e s t h e y s h o uld b e e x a mi n e d c are f u l l y o n t h e i r p e rfo r man c e a n d t h e i mp a c t f o r c o n c r e t e T h e b e t t e r c h o i c e i s t o c h o o

9、 s e t h e o n e w h i c h c a n r e d u c e t h e t e mp e r a t u r e - s h ri n k a g e o f t h e c o n c r e t e a t t h e e a rly t i me a n d g e n d e r t h e l arg e r s h rin k a g e I n a d d i t i o n, i t s h o uld b e p a i d a t t e n t i o n t o t h e me a s u r e s o f g o v e rni n

10、g t h e t e mp e r a t u r e i n o r d e r t o p r e v e n t c r a c k s t h a t a re c a u s e d b y c o n t r a c t i n g f r o m t h e h i g h t e mp e r a t u r e o f c o n c r e t e a t t h e e a r l y s t a g e Ke y w o r d s : c o n c r e t e b o x gi rde r ; t e m p e r a t u r e s t r e s s

11、 ; t e m p e r a t u r e s h ri n k a g e a t t h e e a r l y s t age ; h y d r a t i o n h e a t ; c r a c k c o n t r o l 0 引 言 混凝土是各种土木工程的主要材料 , 应用非常 广泛。由于混凝土自身的物理特性决定了它的热传 导性能差、 方 向性差 的性质 , 使新浇筑混凝土受温度 影响很大。随着大跨度预应力混凝土箱梁的发展 , 混凝土箱梁板厚不断增大, 使混凝土自身容易形成 较大的温差、 温度梯度 ( 结构 的各部分处 于不 同的 温度状态 , 而这些温度状态 的总和

12、就是该时间条件 下的结构温度场 ) 。箱梁截面结构复杂 , 又有 闭合 收稿 日期 : 2 0 1 0 1 1 1 8 作者简介 : 袁明虎( 1 9 6 1一) , 讲 师 , 主要 从事工 程 图学 、 桥梁结 构分 析及抗震控制研究。 E m a l l : y mh 61 0 4 0 2 1 2 6 c o m 截面特有 的框架约束作用 , 使 温度分布更加复杂。 温度变化不但引起结构 的变形 , 而且 引起较大的温 度应力 。混凝土结构 由于这种温度荷载产生 的应 力 , 有时甚至比荷载产生的应力还要大 , 有的预应力 混凝土桥梁还因此而发生严重损坏 , 给桥梁结构带 来危害。温度应

13、力分析和温差控制是关系到混凝土 结构质量的一个 主要 因素。 因此 , 温度应力问题一 直是混凝土工程结构的一个重大课题 , 研究分析混 凝土温度场和进行温度控制是控制混凝土早期温度 裂缝的一个重要内容。 1 混凝土早期温度荷载计算方法 1 1 混凝土早期温度荷载 由自然环境条件变化所产生的温度荷载, 一般 1 0 2 四川建筑科学研究 第 3 8卷 可分为三种类型: 1 ) 日照温度荷载; 2 ) 骤然降温温 度荷载 ; 3 ) 年温度荷载 1 ( 早期混凝土温度荷载 中 不予考虑 ) 。 水泥加适量的水拌合后 , 立即发生化学反应 , 转 变为具有一定强度的石状体, 同时释放热量, 这个过

14、 程便是水泥的凝结硬化过程。水泥的凝结硬化是以 水化、 放热为前提的, 即水化热 J 。在混凝土浇注 过程中使其内部形成不断变化的温度荷载。 混凝土结构在进行蒸汽养护时, 始终与养护的 湿热蒸汽以对流、 传导等方式不断进行热交换。在 结构内部产生不均匀温度场。此外 , 搅拌混凝土的 水温等施工条件都能形成混凝土的早期温度荷载 。 这几种温度荷载并不是单独作用的 , 一般是同 时发生相互影响的, 使混凝土结构内部的温度场复 杂化。 1 2 早强剂对早期温度荷载的影响 早强剂对混凝土 的早期强度有多方面的影响, 对水泥水化历程的影响是一系列复杂的化学和物理 作用, 缩短水化热完成时间, 使混凝土在

15、较早龄期内 完成水化热升温 J , 亦在较早龄期 内完成降温, 即 温度收缩在短时间 内完成。同时, 早强剂会大幅度 的改变早期混凝土线膨胀率 , 大量的统计和研究表 明 , 根据不 同的掺入量 , 早强剂可以使早期混凝土线 膨胀率增大 1 5 3 倍 2 。混凝土升温、 降温与线膨 胀率的增大在同时间段 内发生 , 比未加早强剂混凝 土发生较大温度膨胀 , 继而再发生较大温度收缩, 又 由于早期浇注的混凝土收缩结束, 对后期浇注的混 凝土形成约束, 从而使新浇注混凝土内部形成很大 的温度收缩应力。 1 3 混凝土温度场计算方程 A N S Y S 有限元软件分析计算中采用的方程为 瞬态平衡方

16、程 : C + K T = Q ( 1 ) 式中 为传导矩阵, 包含热系数、 对流系数及辐 射和形状参数 ; c 为 比热矩阵 , 考虑系统 内能的增 加 ; 为节点温度 向量 ; 为温度对 时间的导 数 ; Q 为节点热流率向量, 包括热生成。 其中热传导遵循傅立叶定律: q =一尼 ( 2 ) 式中g “ 热流密度 ; k 导热系数。 热对流用牛顿冷方程描述: q “=h ( 一 ) ( 3 ) 式中h 对流换热系数 ; 固体表面的温度 ; 周围流体的温度。 热辐射采用斯蒂芬一波尔兹曼方程: g=8 e r A 1 F 1 2 ( 一 ) ( 4 ) 式 中 q 热流率 ; s 辐射率;

17、斯蒂芬一波尔兹曼常数; A 辐射面 1 的面积; F : 形状系数; , 辐射面 1 , 2的绝对温度。 为简化计算, 并考虑导热系数、 放热系数的复杂 性, 直接用边界的实测温度数据作为边界条件。初 始条件即混凝土结构的初始温度状态 , 选择在混凝 土结构整体温度分布较均匀的时刻。采用垂直方向 的一维热传导方程进行分析L 5 ( 略去了桥长方向和 水平方 向温差的微小影响) 。 2 工程实例计算分析 2 1工程概况 本文以某高速公路冬季施工大桥为背景。该桥 上部为( 5 5 + 9 0 + 5 5 ) m 3 跨预应力混凝土变截面连 续箱梁 , 边中跨 比为 0 6 1 , 跨中梁高 2 5

18、 m高跨 比 1 3 6 ; 支点梁高5 m, 高跨比1 1 8 ; 梁高按二次抛物 线变化。 在悬臂浇筑施工过程中 l 5号墩施工到 3号节 段 , l 4号墩施工到 2号节段时发现裂缝 , 裂缝位置 平面如图 1所示。图 1中竖 向加粗黑线为裂缝位 置 , 主要集 中在 1 , 2号节段 中腹板两侧 的箱室底板 上 , 裂缝宽度在 0 1 5 m m以下 , 长度最长达到 2 8 m 左右 , 裂缝虽少但均较长。实拍底板裂缝如图 2 , 3 所示 。图 3中裂缝 出现漏水, 说明底板裂缝顶、 底面 已贯通。中室底板裂缝大致平行于桥梁轴线, 边室 底板裂缝与桥轴线成 l 5 。一 3 O 。

19、 夹角。底板上裂缝 位置大致相同, 呈对称分布。裂缝的长度、 宽度随着 _ ll I 1 一 I 。 I 。 I 图 1 裂缝位置示意 F i g 1 Di a g r a m o f c r a c k l o c a t i o n 一 路线中心线 袁明虎, 等 : 混凝土箱梁早期温度裂缝的影响因素 1 0 3 时间的推移有发展趋势。裂缝在张拉完成后的一段 时间出现。 图2底板裂缝 图3底板局部裂缝 Fi g 2 Pg o t o o f b o t t o m c r a c k Fi g 3 Bo t t o m o f l o c a l c r a c k s 2 2裂缝数值分析

20、2 2 1 有限元模型的建立 本模型模拟该大桥主梁施工阶段 0 块 一 3 块 的 施工状态, 结构计算采用大 型通用有限元分析软件 A N S Y S 进行建模计算。建模尺寸按实际设计和施 工 l : 1 比例尺建立。建模时采用 s o l i d 4 5体单元。由 结构的对称性, 取 四分之一结构进 行建模 , 共 划分 9 7 2 5 4 个单元, 2 0 6 8 7个节点, 可保证计算精度。该 模型有关应力计算采用单位为国际单位制, 即力为 N、 长度为 m、 应力为 P a 。有限元模型如图 4所示。 图 4有 限元模型 F i g 4 F i n i t e e l e me n

21、t m o d e l p i c t u r e 2 2 2 分析 工 况的划 分 该工程主要作用工况是 : 结构荷载作用 ( 重 力 和预应力) 和非结构荷载作用 ( 混凝土温度收缩 、 有 早强剂混凝土温度收缩 、 混凝土冬季施工蒸汽养护 温差 、 混凝 土水热化 引起 的应力 ) 。并在各个工况 单独分析的基础上 , 再对 比分析几种因素的组合。 组合 1 (结构荷载因素的组合 ) : 重力和预应力 的组合 ; 组合 2 ( 非结构荷载 因素的组合 ) : 掺加早强剂 后混凝土温度收缩和温差组合; 组合 3 ( 结构荷载和非结构荷载 的组合 ) : 掺加 早强剂后混凝土温度收缩 、 冬

22、季蒸汽养护温差和重 力 、 预应力的组合。 2 2 3分 析 结果 材料参数取值: 弹性模量不考虑其发展过程, E 取 3 4 51 0 加P a , 密度 P取 2 5 0 0 k g m , 泊松 比取 0 2 , 线膨胀系数 取 0 91 0。 2 2 3 1 混凝土水化热温度场分析 按 A N S Y S有限元热一结构耦合分析方法 分析 混凝土水化热温度场 。 1 ) 材料特性 浇筑前 : 导热系数 j = 3 0 0 8 9 k g ( m d ) , 混凝土比热 C= 0 9 4 5 l ( ) , 混凝土和空气 的对流系数2 0 1 6 k J ( m d ) , 取空气温度0

23、C, 混凝土浇筑时的温度取 2 5 。浇筑后 : 最终绝热温 升 l 5 。混凝 土的水化热 公式 : H =4 7 8 8 0 ( 0 8 6 2+ )一( 一1 ) ( 0 8 6 2+X一1 ) 中的时间 变量 取值为 1 d 。 2 ) 混凝土水化热分析结果 计算结果显示 : 水化热使得腹板和底板核心部 分的最高温度达到 2 6 q C 。 2 2 3 2 养护温差和应力关系曲线研究 用多个温差模型进行分析 , 取靠近箱梁开 口位 置底板最大主应力数值, 建立不同温差下应力和温 差的关系曲线。应力一温差 曲线如图 5所示 , 温差 低于 1 5时, 应力增长缓慢 , 大于 1 5后 ,

24、 应力迅速增 长, 总体呈非线性关系。 图 5 应力一 温差 曲线 Fi g 5 S t r e s s t e mp e r a t u r e d i ffe r e n c e c u r v e 2 2 3 3 早强剂对温度收缩的影响研究 1 ) 比较有 、 无早强剂 的影 响: 取早 强剂对混凝 土线膨胀 率 改变值为 1 5倍材料膨 胀率 , 即 = 1 3 51 0 。同时, 按照结构力学计算材料收缩的 方法, 以混凝土降温的形式通过有限元分析来模拟 研究混凝土箱梁的温度收缩效应 , 对施工段施加 了 一 1 8 C的温度荷载 , 并考虑先浇段对后浇段相对约 束作用。 应力分析结

25、果见表 1 。 表 1 应力结果统计 Ta bl e 1 S t r e s s r e s u l t s TAB 由表 1可见, 取早强剂对混凝土线膨胀率改变 值为 1 5倍材料膨胀率时 , 掺加早强剂的箱梁早期 混凝土温度收缩应力比未掺加早强剂的值增大了 1 1 0 4 四川建筑科学研究 第 3 8卷 倍左右。 2 ) 对线膨胀率和最大主应力及其引起的应变 关系进行研究 : 取 不 同的线膨胀率倍数 : 1 8 , 2 0, 2 5 , 3 0倍 , 建立相应的有限元分析模型。同样 , 取 靠近箱梁开 口位置底板最大主应力数值作为代表性 统计数据。 线膨胀率一最大主应力关系曲线, 如图6

26、 所示, 呈线性关系显著。线膨胀率一最大主应力引起的应 变占收缩终值 的百分比关系曲线 , 如图7所示 , 呈线 性关系显著。图6 , 7说明, 温度收缩应力的发展对 于线膨胀率的增加是敏感的, 即对早强剂的掺入是 敏感的。 图6 线膨胀率一最大主应力关系曲线 Fi g 6 Exp an s i on r at i o - t he ma x i mu m pr i nc i pa l s t r e s s c u rv e 蠢 雾 堪 图 7 线膨胀 率一应变百分比关系曲线 F i g 7 Ex p a n s i o n r a t i o - s t r a i n p e r c e

27、 n t a g e c u r v e 2 2 3 4 各种工况作用下分析结果 表 2 各工况下分析结果 Ta bl e 2 Ea c h c on di t i o n a na l ys i s r e s ul t s 注 : 1 应力单位 M P a , 正值为拉应力 , 负值为压应力 ; 2 表 中蒸汽养护温差工况 : 温差为 1 8 o C; 3 表 中有早强剂工况 : 混凝土线膨胀率为 1 5倍原材料膨胀率 。 由表 2 得知, 虽然水化热产生的高温对混凝土 温度收缩是有影响的, 但仅水化热产生的应力不足 以使该工程底板产生纵向早期裂缝。 养护温差对于混凝土开裂有较大影响。通过

28、养 护温差和应力关系曲线的研究 , 说明应力 的发展对 于箱体内外温差很敏感 , 温控措施处置不 当, 将导致 混凝土温差裂缝产生。 添加早强剂结构在温度收缩荷载作用下 , 最大 主应力如图8 所示: 掺加早强剂箱梁温度收缩最大 主应力云图。比较 图 1 , 2和图 8可知 , 最大应力 中 心线与图1 裂缝位置基本吻合。即在中箱底板出现 基本平行于顺桥向最大主应力, 两侧边箱底板出现 往外边缘发展的斜向的最大主应力 。应力最大位置 在新旧混凝土交接处 , 即先 浇注混凝土对后浇筑混 凝土有约束作用处。表明该工程中早强剂加剧了混 凝土的温度收缩 , 从而增大了收缩应力 , 是混凝土早 期温度裂

29、缝的重要因素之一 。 最 NO DAL S OL U 1 1 O N STEP ffi -1 SUB=1 0 TM El , E N DE D , 品 ” 。 , 髓 j 。 图8 掺加早强剂箱梁温度收缩最大主应力云图 Fi g 8 Ad mi xt ur e of e ar l y s t r e ng t h ag e n t bo x g i r de r s hr i n ka ge t e mpe r a t ur e o f t he max i m um p r i n c i p a l s t r e s s c l o u d 3 结 语 1 ) 混凝土水化热对 于混凝土箱

30、形梁早期 温度 收缩和温差效应有一定的贡献。 2 ) 早强剂加剧 了水化热过后 的温度收缩、 增大 了混凝土线膨胀系数 ; 新、 旧混凝土之间约束作用 的 存在, 是导致新混凝土产生裂缝的重要原因。 3 ) 混凝 土连续箱梁是超静定结构也是 内超静 定构件 , 应采取合理的温控措施 以降低混凝土收缩 速度及剧烈程度。 4 ) 对于混凝土结构 , 设计时应充分考虑影响混 凝土温度应力 的因素 , 优化设计 结构形式 、 边界条 件、 材料选择和配合比等。 参 考 文 献 : 1 段凯 桥梁结构温度应力行为及其算法实现 D 武汉 : 华 中科技大学, 2 0 0 4 E E l 杜耀辉 混凝士箱梁早期温度裂缝分析及其工程应对措施 D 西安: 长安大学, 2 0 0 8 3 陈建奎 混凝土外加剂原理与应用 M 2版 北京: 中国计划 出版社 , 2 0 0 4 : 1 O 1 1 1 2 4 北京办事处 A N S Y S 热分析指南 R 2 - 2 , 2 - 3 5 彭友松 混凝土桥梁结构日照温度效应理论及应用研究 D 成都 : 西南交通 大学 。 2 0 0 7 : 7 1 7

展开阅读全文
相似文档                                   自信AI助手自信AI助手
猜你喜欢                                   自信AI导航自信AI导航
搜索标签

当前位置:首页 > 环境建筑 > 基础工程/设备基础

移动网页_全站_页脚广告1

关于我们      便捷服务       自信AI       AI导航        获赠5币

©2010-2024 宁波自信网络信息技术有限公司  版权所有

客服电话:4008-655-100  投诉/维权电话:4009-655-100

gongan.png浙公网安备33021202000488号   

icp.png浙ICP备2021020529号-1  |  浙B2-20240490  

关注我们 :gzh.png    weibo.png    LOFTER.png 

客服