模拟大体积混凝土温度应力场.pdf

1 8 低温建筑技术 2 0 1 4年第 8期 ( 总第 1 9 4期 ) 模 拟大体 积混凝土温度应 力场 李 向东 ， 马耀辉 ， 王正君 ( 1 黑龙江省水利科学研究院 ， 哈尔滨1 5 0 0 8 0； 2 黑龙江大学水利水电学院 。 哈尔滨1 5 0 0 8 0) 【 摘 要】 在大体积混凝土结构设计与施工中， 温度控制和裂缝防治是非常重要的课题。对混凝土建筑物 结构 ， 温度变化是裂缝产生的重要原因。为了能够准确的掌握结构的温度场和应力场的分布规律， 文中引入仿真 方法进行多因素、 全过程的数值分析。对温致开裂的预防， 以及优化施工工艺都具有极其重要的意义。通过调查 研究 ， 分析水化热温升致裂的机理 ， 并给出对大体积混凝土温度应力的类型、 特点及温度应力场的规律。采用 A N S Y S有限元数值模拟对大体积混凝土不同位置的温度和应力随龄期的变化进行了较为详细的分析和讨论。 【 关键词】 大体积 昆 凝； 土水化热；A N S Y S ； 温度应力场 ； 模拟 【 中图分类号】 T U 5 0 2 4 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 6 8 6 4 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 1 8 0 2 由于混凝土是复杂的多相材料， 其极 限拉伸变形 较小， 当拉应力超过抗拉 强度时， 结 构就会产 生裂 缝 。温度应力在数值上有可能超过其 荷载所 引起 的应力， 因此结构的应力状态要充分考虑温度变化的 影响。水泥在水化过程中会产生大量的水化热， 为了 控制大体积混凝土水化温度， 避免由此产生的温度裂 缝 ， 目前大多采用温度测 量并辅 之循环 水冷 系统 的方 法 。但是测控难度较大， 主要原 因由于结构大， 施工 周期长 ， 影 响 因素 多。因此 ， 在量 化 和针 对 性 上有 一 定的盲 目性 。 1 开裂 的机理 对于混凝 土这种 热的不 良导体 ， 水泥水 化产 生 的 热量聚集在混凝土结构内不容易散失。其裂缝产生 的原 因是混 凝 土收缩 产 生 的收缩 应力 及 水 泥水 化过 程中释放的水化热产生的温度应力。产生裂缝原因 如下 ： ( I ) 在 混凝 土浇 筑 的初期 ， 生成 大 量水化 热使 得混凝 土的温度快速上升 ， 表面与 内部 之间形 成 了一 定 的温度 梯度。 ( 2 ) 在 浇筑 后一 段 时间 ， 水 化热 已经基 本释 放 完毕 ， 混凝 土内部逐渐降 温 。但是这 种 降温 受边界 的 约 束使得 混凝土收缩不 能 自由地进行 ， 因此容 易产 生 局部开 裂 。 。 2 大体积混凝土温度应力场的 A N S Y S仿真 分析 A N S Y S有限元分析 软 件提 供 了两 方法 来计 算 温 度应力 ， 既顺序耦合和是直接耦合。文 中采用顺序耦 合 热 一结构分 析法 进行 大 体积 混凝 土 温 度应 力 的有 限元分 析方法 。 ( 1 ) 计 算模型 计算的混凝土尺寸为长 1 8 5 m， 宽 2 0 5 m， 高 2 m， 连续浇筑 1 8 h一次浇筑完成， 属大体积混凝土工程。 基金项目 黑龙江省科技攻关项 目( G Z 1 0 A 5 0 2 ) 混凝土设计强度 C 2 0 。计算模型共分为两层， 上层为 混凝土浇注层 ， 下层 为 地基 ， 地 基 的尺寸取 长 3 7 m， 宽 4 1 m， 高 6 m。 ( 2 ) 计算参数的确定 计算 时， 大体积 混凝土 和地基 的热学参 数 和力 学 参数如下 ： 混凝 土的 密 度 2 4 0 0 k g m ， 热导 率 2 0 0 k J ( 1 i l d ) ， 比热 0 9 7 k J ( k g ) ， 水泥的水化热方程为 Q：Q 。 ( 1 一e x p (一m d a y ) ) ， 其 中 m= 0 3 8 4 ， 水泥最 终水 化 热 总 量 为 Q 。=3 3 4 k J k g ， 水 泥 用 量 为 W = 3 1 0 k g m 。混凝 土 的弹 性 模量 为 E=E 。 ( 1一e x p (一 0 0 9 d a y ) ) ， 其中E n 为C 2 0混凝土龄期的弹性模量 ， 取值为 2 5 5 G P a 。混 凝 土的线膨 胀系 数 0 7 31 0 一， 泊松 比为 0 2 。 地基 的 密 度 2 6 0 0 k g m ， 热 导 率 3 0 0 k J ( m d ) ， 比热 0 9 4 5 k J ( k g ) 。地 基 的弹 性模 量 为 2 5 5 G P a ， 线膨胀系数 0 7 3 1 0 ， 泊 松 比为 0 。 2 。 ( 3 ) 载荷施加及计算 长宽方 向视为无 限大 ， 地基 底部 和 四周 侧面 取绝 热边 界条件 ， 地基 模 型初始 温度取 l 0 ， 混 凝土 浇 筑 时的初始温度取 2 0 。其属于热分析中的第三类边 界条件， 既混凝土的上表面及四周存在空气与混凝土 的热对流现象。上表面采用稻草麦秆铺盖养护时表 面放热系数取 B 。 =4 8 0 k J ( m d ) ， 混凝土浇筑 四周采用钢模板 时表 面放热系数取 = 8 0 0 k J ( m d ) ， 地基的上表面放热系数取 口=1 0 0 0 k J ( i n d ) ， 周围环境温度取 1 2 ， 文中不考虑环境温度随 时间的变化。 3温度应力场模拟 结果及分析 图 1为不同龄期的温度场变化过程的模拟云图。