昼夜温差对薄壁混凝土结构温度应力的影响分析.pdf

第 3 7卷第 7期 2 0 1 1 年7 月 水 力 发 电 昼 夜 温 差 对 薄 壁 混 凝 土 结 构 温 度 应 力 的 影 响 分 析 陈守开 ，孟 美丽 ， ( 1 ． 华北水利水 电学院 ，河南郑州 4 5 0 0 1 1 ； 刘秋 常 ，王振 红 2 ．中国水利水 电科学研 究院，北京1 0 0 0 4 4 ) 摘 要 ：薄壁混凝土结构受昼夜温 差的影响更容易产生裂缝 。针对这一 问题 ，利用三维有限单元法对某薄壁混凝土 结 构施 工期 进行 了温度场和应力场 的仿 真计 算分析 。结果显示 ，在昼夜温差作 用下 ，薄壁混凝土结构表面和 内部均 会 产生较大应力波动 ，波 动幅度在 0 _ 3 ～ 1 ． 9 MP a之 间 ，对施工期温控 防裂不利 。此外 ，对薄壁混凝 土结构施工期 的 仿 真计算 ．环境 温度取 日气温变化更加合理 。该研究能为具有较大昼夜温差地区的混凝 土工程施工设计提供参考 。 关键词 ：薄壁混凝 土结构 ；昼夜温差 ；温度场 ；应力场 ；温控防裂 I mp a c t o f Di u r n a l Te m p e r a t u r e Di ffe r e n c e o n t h e S t r e s s o f Tl l i n — wa i l e d Co n c r e t e S t r u c t u r e C h e n S h o u k a i ， Me n g Me i l i ， L i u Q i u c h a n g ， Wa n g Z h e n h o n g 。 ( 1 ． No r t h C h i n a Un i v e r s i t y o f Wa t e r Re s o u r c e s a n d E l e c t ric P o w e r ， Z h e n g z h o u 4 5 0 0 1 1 ， He n a n ， C h i n a ； 2 ． C h i n a I n s t i t u t e o f Wa t e r R e s o u r c e s a n d H y d r o p o w e r R e s e a r c h ， B e i j i n g 1 0 0 0 4 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e t h i n - w a l l e d c o n c r e t e s t r u c t u r e i s mo r e p r o n e t o c r a c k i n g wh e n c o n s t ruc t i n g o n t h e c o n d i t i o n o f l a r g e r d i u r n a l t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e ． T h e 3 一 D F E M i s a d o p t e d t o s i mu l a t e t h e t h e r ma l a n d s t r e s s fie l d s o f a t h i n — wa l l e d c o n c r e t e s t ruc t u r e d u r i n g c o n s t r u c t i o n a f t e r c o n s i d e ri n g d i u r n a l t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e ． T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e fl u c t u a t i o n o f s t r e s s wi l l a p p e a r n o t o n l y i n t h e s u r f a c e b u t a l s o i n t h e i n n e r ,a n d t h e fl u c t u a t i o n r a n g e i S b e t we e n 0 ． 3～ 1 ．9 MP a ．wh i c h i S a d v e r s e t O t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n ．T h e s i mu l a t i o n a l s o s h o w s t h a t u s i n g d a i l y t e mp e r a t u r e v a r i a t i o n a s i n p u t i s mo r e r e a s o n a b l e f o r a n a l y z i n g t h e s t r e s s o f t h i n - w a l l e d c o n c r e t e s t ruc t u r e ． r h e r e s e a r c h c a n b e a s r e f e r e n c e t O t h e p r o j e c t s w h i c h b u i l t i n t h e a r e a w i t h l a r g e r d i u r n a l t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e ． Ke y W o r d s ： t h i n - wa l l e d c o n c r e t e s t ruc t u r e ；d i u rna l t e mp e r a t u r e d i f f e r e n c e ；t e mp e r a t u r e fi e l d；s t r e s s f i e l d ；t e mp e r a t u r e c o n t r o l a n d c r a c k p r e v e n t i o n 中图分 类号 ： T V 3 l 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 — 9 3 4 2 ( 2 0 1 1 ) o 7 — 0 o 2 7 — 0 4 施 工 期 的 混 凝 土 温 度 裂 缝 问 题 一 直 是 工 程 界 所 面 临 的 一 大 难 题 ，它 影 响 因 素 众 多 ， 形 成 机 理 复 杂 。 从 裂 缝 成 因分 析来 看 ，国 内普遍 认 同温 度 荷 载 是 引 起 裂 缝 的重 要 因 素 [ ，解 决 问 题 的 途 径 主 要 从 温 度 控 制方 面着 手 ．防止 结 构 在施 工期 经 历 过 大 的 温度 变化 ，或 者说 减 小混 凝土 过 大 的温度 变化 幅度 。 对 大 坝等 大 体 积 混凝 土而 言 ，由昼夜 温差 等 气 温骤 变 因素 引起 的温 度 应 力 主要 使 结 构 表 面产 生 裂 缝 E5 - 9 ] ，不 会 使结 构 产 生 贯 穿 性 裂缝 。但 是 对 薄壁 混 凝 土 结 构 而 言 ，由于 结 构 尺 寸相 对 较 小 ，环境 温 度 的急 剧 变化 可 使 整 个 结 构 断 面受 到 影 响 ，再 加 上 施 工 期 混凝 土 自身 强 度 较低 ，裂 缝 一 旦 出现 ，往 往 是 贯 穿 性裂 缝 。针 对 这 一 问题 ，根 据 自编温 度 场 应 力 场 维 有 限元 计 算 程序 ，依 托 南水 北 调 中线某 大 型 渡 槽 工 程 ．对 环 境 温 度 骤 然 变 化 时 薄 壁 混 凝 土 结 构 温 度 场 和 应 力 场 的 时 空 变 化 进 行 分 析 研 究 ， 为 适 时 合理 地制 定 温控 防裂方 案 提供参 考依 据 。 1 有限元仿真计算原理 1 ． 1 不 稳 定温 度场 在 计 算 域 R 内 任 何 一 点 处 ，不 稳 定 温 度 场 收稿 日期 ：2 0 l 1 _ 0 l 一 1 3 基金项 目：国家 自然科学基金 资助项 目 ( 5 0 7 7 9 0 1 0 ) 作者简 介 ：陈守开( 1 9 8 0 _ - ) ，男 ，浙江温州人 ，讲 师，博士 ，主 要从事水工结构工程混凝土温控防裂研究． W a t e r P o w e r V o 1 ． 3 7 N o ． 7团 ( ， Y， Z， t )须满 足热传 导 方程[ J o , n 】 ： + + 卜 ㈩ Ⅱ l 十 十 』 + L 式 中 ，7 1 为温 度 ，℃ ；。为导 温 系数 ，m： ／ h；0为 混 凝 土绝 热温 升 ，℃ ；t 为时 间 ，d；t『为龄 期 ，d。 利 用变 分原 理 ，对 式 ( 1 ) 采用 空 间域 离散 、时 间 域 差分 ．引 入初 始 条 件 和边 界 条 件后 ，可 得 向后 差 分 的 温 度 场 有 限 元 计 算 递 推 方 程 ，具 体 见 参 考 文 献 【 1 0 ] 。 混 凝 土 内含 冷 却水 管 时 ．根椐 傅 立 叶 热传 导 定 律 和热 量 平衡 条 件 ，求 解 水 管 沿程 水 温 的 增 量 ，具 体见 参考 文献 [ 1 o，1 2 1 。 1 ． 2应 力场 混 凝 土 在 复 杂 应 力 状 态 下 的 应 变 增 量 包 括 弹 性 应 变 增 量 、 徐 变 应 变 增 量 、温 度 应 变 增 量 、 干 缩 应 变增 量 和 自生体积 应变 增量 ．因此有 { A e ) = { △ ￡ + { △ s + { △ ￡ + { △ ￡ ) + { △ 8 u l ( 2 ) 式 中 ，{ △￡ ： } 为弹 性应变 增量 ；{ △8 ： } 为徐变 应 变增 量 ； { △8 为温 度应 变增 量 ，{ △s ) 为 干缩 应 变增 量 ；{ △s o ) 为 自生体 积应 变增 量 。 由物 理方 程 、几何 方 程 和 平衡 方 程 可 得任 一 时 段 在 区域 R 上 的有 限元 支 配 方 程 ，具 体 见 参 考 文 献 [ 1 0 1 。 2 实例分析 2 ． 1 工 程概 况 渡 槽 是南 水 北 调 中线 总 干 渠 上 的一 座 大 型交 叉 建 筑物 】 ，渡 槽建 筑 物全 长 2 3 0 0 m。建 筑 物级 别 1 级 。单 跨 长 3 0 I n，槽 身 均按 3槽 布置 ，横 向宽度 为 2 2 IT I ，单槽 段 面尺 寸为 6 ． 0 rex 5 ． 4 m。槽 身混 凝 土等 级 为 C 5 0 W6 F 2 ( ) 0 ，配合 比见 表 1 。工程 所 在 区域 属 暖温带 大 陆 性 季风 气 候 区 ，四季 分 明 ，根 据 河北 省 农 业 气 象 资 料 ． 当地 多 年 月 平 均 气 温 如 表 2所 示 ， 多年 月平 均气 温 拟合 曲线 见 图 1 。 多 年月平 均气 温拟 合公 式 ( t ) =1 2 ． 2 +1 5 ． 3 5 x c o s [ ~／ 6 x ( 一 6 ． 4) ] ( 3 ) 式 中 ，t为 月 份 ；。表 示 月 气 温 ；1 T 取 3 ． 1 41 5 9 2 6； ( ) 为气 温随 月份 的变 化 。 日气温 拟合 公式 ( r) ： ( ) + 7 ． 5 x c o s [ r r ／ 1 2 x( r - 1 4) ] ( 4) 3 0 2 5 2 O l 5 赠 1 0 5 0 —5 ． 1 0 图 1气 温 拟 合 曲线 式 中 ，7 ． 为 每 天 中 的 时 刻 ；d表 示 日气 温 ， ( 7 - ) 为 日气 温 随 变化 2 ． 2计算 模型 根 据 工 程 结 构 的 对 称 性 以及 目前 计 算 机 的 计 算 水 平 ，建 模 时取 一 半 结 构参 与 计算 。 由于 混凝 土 表 面受环 境 影 响较 大 ，温度 梯 度 较 大 ，结 构表 面单 元 划 分相 对 密 些 ；为 反 映水 管 周 围 的温 度 梯度 ，对 水 管 周 围 的网格 进 行 加 密 。带 水 管计 算 模 型 的单 元 数 和结点 数 分别 为 3 7 6 7 6、4 5 9 0 9个 。槽 身分 两 层 施 工 ．间 隙 面 为 墙 体 下 部 的八 字 角 处 ．间 隙 时 问 1 5 d 。分层 及 特征 点 布置 见 图 2，共 选 4个特 征 点 。其 中 ，点 1代 表第 一 层 混凝 土 的表 面点 ；点 2代表 第 一 层 的 内部 点 ：点 3代表 第 二 层 的表 面 点 ：点 4代 表第 二层 的内部点 。网格剖 分见 图 3 。 图 2槽身 特 征 点 布 置 2 ． 3仿真计算结果分析 本 文 以 5月 份施 工混 凝 土 为研 究 对象 ，为 防止 混 凝 土升 温 阶段 过 大 的 内外 温 差 ，进 行 了适 时 的 内 部 水 管 降 温 和 适 当表 面保 温 ，拆 模 时 间 为 8 d 。仿 真 计 算 考 虑 拆 模 后 遭 遇 1 5 昼 夜 温 差 的 影 响 ，历 经 5 d时 间 。 限 于 篇 幅 ，本 文 仅 对 第 一 层 的 计 算 结 果 进 行分 析 。分析 以特 征点 1 、2和跨 中横 剖 面温 度和 第 一 主应力 o r 为 主 。为 了便 于 对 比 ，本 文还 对 不考 表 1混凝土配合 比 困Wta e r P o u w l ／ ~j l 3 7 N o ． 7 第 3 7卷第 7期 陈守开 ， 等： 昼夜温差对薄壁混凝土结构温度应力的影响分析 圈 3仿真计算网格 虑昼 夜 温差( 按 月 气 温 变 化 )影 响 的 情 况进 行 了仿 真计算 。 2 ． 3 ． 1 昼夜温差作用下结构 的温度场 混凝 土结 构 特征 点温 度 随龄期 的变 化 见 图 4 。 薹 0 2 4 6 8 l 0 1 2 l 4 1 6 1 8 2 O 龄期 ／ d a 不考虑昼夜温差 0 2 4 6 8 l 0 1 2 1 41 6 l 82 0 龄 期 ， d b 考虑 昼夜温 差 图 4特 征 点 温 度 历 时 曲 线 对 比 图 4 a和 图 4 b可 以 看 出 ：考 虑 了 昼 夜 温 差 的影 响 ．在 第 一 层 浇 筑 完 8 d后 开始 的 5 d内 ． 日 气温 随 时 问 不 断变 化 ，呈 波 浪形 分 布 ，这 与实 际 气 温 日变 化 规 律 相符 ；受 日气 温变 化 影 响 ，混凝 土 的 温度 也 随 之 波 动 ，但 波 动 幅 度小 于 气 温 ，点 1和 点 2的 日温 度 最 大 变 幅 分 别 在 3 ． 8℃ 和 1 ． 2 o C 左 右 ， 且 在 时 间上 滞 后 于气 温 变 化( 见 图 4 b) 。可 见 ，薄 壁 混 凝 土 结构 受 昼 夜 温 差 的影 响非 常 显 著 ，由 于尺 寸 较 小 ，不 但 表 面受 到昼 夜 温差 的显 著 影 响 ，内部 也 受 到 一定 程度 的影 响 。横 向 比较 ，考 虑 昼夜 温 差后 ， 点 2的波 动 幅 度小 于点 1 ．且 在 时 问上 滞 后 于点 1 。 5 d后 环 境 气 温 按 月 气 温变 化 。混 凝 土 温 度 也 和 外 界气 温 趋 于一 致 。总 体 而 言 ，考 虑 昼 夜 温差 时 ，混 凝 土 的温度 随 日气 温 的 变化 而 变 化 ．而不 考 虑 昼 夜 温 差 时 ，混 凝 土 温 度 随 月气 温 变 化 ，显然 前 者 更 为 合 理 。 混 凝 土 浇 筑 完 1 2 ． 5 d时跨 中剖 面 温 度等 值 线 见 图 5。 从 图 5可 以 看 出 ：不 考 虑 昼 夜 温 差 影 响 时 主 梁 混 凝 土 内部 最 高 温 度 为 2 4 ． 8℃ ，表 面 温 度 2 3℃左 右 ， 内外 温 度 梯 度 不大 ；考 虑 昼 夜 温差 影 响 时 温 度 明显 降 低 ， 内部 最 高 为 2 4 ． 6 c 【 = ，表 面 仅 为 1 9℃ ， 内外 温度 梯 度 明显增 大 。 2 ． 3 ． 2 昼夜温差作用下结构的应力场 由于 混 凝 土 温度 场 的时 空变 化 ．应 力 场 也 发 生 a不考虑昼饭温 差 b考 虑昼夜温 差 图 5混凝土浇筑完 1 2 ． 5 d时跨中剖面温度等值 线 ( 单位 ：℃) 明显 而 复 杂 的变 化 。混 凝 土 结 构特 征 点 第 一 主应 力 随龄期 的变化 见 图 6。 2 R 0 ．5 O 1 0 ； 2 a 不考 虑昼夜温 差 b 考 虑昼夜温 差 图 6特征点应力历时曲线 对 比 图 6 a和 图 6 b可 以看 出 ：① 昼 夜 温 差 的 影 响导 致混 凝 土 收 缩 应力 急 剧 变 大 。相 应 于 温度 随 气 温 的 震荡 ，混 凝 土 的应 力 也 呈 现周 期 性 波 动 ，在 峰 值 时 甚 至超 过 了混凝 土 的允 许抗 拉 强 度 ，具 有 开 裂 的可 能 。② 与大 体 积 混凝 土 降温 阶 段“ 表 面 受 压 、 内部 受拉 ”规 律 不 同 的是 ，薄 壁混 凝 土 结 构 降温 阶 段 结 构 全 断 面 受 拉 ，且 由 于 昼 夜 温 差 的 影 响 也 是 全 断 面 影 响 ，致 使 表 面 和 内部 应力 都 变 大 、波动( 见 图 6 b) 。⑧ 比较特 征点 1和 2，点 2的应力 波 动幅 度 要 小 于 点 1，且 在 时 间 上 滞 后 于 点 1 ，点 l和 点 2的 最 大 应 力 波 动 幅 度 分 别 在 1 ． 9 MP a和 0 ． 3 MP a左 右 。 ④ 考 虑昼 夜 温 差 时 ，混 凝 土 的应 力 随 温 度 的波 动 而 波 动 ，波 峰 处 应 力 较 大 ， 波 谷 处 应 力 较 小 ，如 果 波 峰 处 应力 值 超 过 混凝 土 的 允许 抗 拉 强 度 ，则 易 引起 开 裂 ，这 与 不 考 虑昼 夜 温 差 时 的应 力 变 化情 况 完 全 不 同 ，显 然 考 虑 昼 夜 温 差 时 对 温 控 防裂 更 为 不 利 。 ⑤ 无 论 考 虑 昼 夜 温 差 与 否 ，结 构 在 第 1 7 ． 2 5 d应 力 都有 突 变 ，原 因是新 浇 筑第二 层混 凝 土( 上部 墙体 ) 的 自重 和温 升膨 胀 。 混 凝土 浇 筑 完 1 2 ． 5 d时跨 中剖 面应 力 等 值 线见 图 7 。 分 析 图 7可 以得 出 ，由于 结 构为 多 次 超 静定 薄 壁混 凝 土 结构 ，且 内部 布置 有 冷 却水 管 ，再 加上 遭 遇昼 夜 温 差 的影 响 ，应力 的空 间分 布 比较 复 杂 。昼 夜 温 差 影 响 期 间 混 凝 土 拉 应 力 增 大 ，易 发 生 应 力 集 中的部 位 应力 更 是 明显增 大 ，超 过 混凝 土 的允许 抗 r P o w e r V o 1 ． 3 7 N o ． 7 囡 『L● ● ● r● rL k ●L a不考虑昼彼温差 b考虑昼夜温 差 图 7混凝土浇筑完 1 2 ．5 d时跨中剖面 应力等值线( 单位 ：MP a ) 拉 强度 ，裂缝 很容 易 在这些 部位 产 生 。 3 结论 ( 1 )昼 夜 温差 使 薄 壁 混凝 土 结 构 在 短 时 间 内产 生 较 大 的 应 力 波 动 ，是 产 生 裂 缝 的 主 要 因 素 。 因 此 。对 于 簿 壁 混 凝 土 结 构 ，特 别 是 梁 、板 、墙 和 肋 等 组成 的 多次 超 静 定 薄壁 混 凝 土 结构 ，施 工期 若 昼 夜 温 差 、寒 潮 等 环 境 温 度 变 化 幅度 较 大 时 必 须 加 强 表 面 保 温 的 力 度 ． 防 止 由 于 温 度 骤 变 而 使 裂 缝 产 生 。 ( 2) 大 体 积 混 凝 土 施 工 期 温 控 仿 真 计 算 分 析 一 般 取 月气 温 变化 为环 境 温度 ，但 是 对 于薄 壁 混凝 土 结构 ，以 日气 温变 化 为计算 条件 更加 趋 于合理 。 ( 3 ) 由于 薄壁 混 凝 土结 构 形 式 复 杂 ，施 工期 影 响 因 素 众 多 ，建 议 施 工 前 进 行 多 参 数 、多 工 况 的 仿 真 计 算 分 析 ，把 包 括 环 境 温 度 急 剧 变 化 在 内 的 各 种 不 利 因素 均 考 虑 在 内 ．确 保 施 工 期 不 产 生 温 度 裂 缝 。 参考文献 ： [ 1 ] S c h u t t e r G D e ．F i n i t e e l e m e n t s i mu l a t i o n o f t h e r ma l c r a c k i n g i n ma s s i v e h a r d e n i n g c o n c r e t e e l e me n t s u s i n g d e g r e e o f h y d r a t i o “ b a s e d m a t e r i a l l a w s ． C o m p u t e r s &S t r u c t u r e s ，2 0 0 2 ，8 0 ( 2 7 — 3 0 ) ： 2 0 3 5 -2 0 4 2． [ 2 ] 张 子明 ，郭兴文 ，杜 荣强． 水化热引起 的大体 积混凝土墙 应力 与开裂分析 [ J ] ． 河海大学学报 ，2 0 0 2，3 0 ( 5 ) ：1 2 — 1 6 ． f 3 ] 丁 宝瑛 ，王国秉 ，黄 淑萍 ，等．周内混凝土 坝裂缝成 因综 述 与 防止措施 [ J ] ． 水利水电技术 ，1 9 9 4 ( 4 ) ：1 2 — 1 8 ． [ 4 ] 马跃峰 ，朱岳明，旨为民 ，等． 闸墩 内部水 管冷却和表面保温措 施 的抗裂作用研究 [ J ] ． 水利学报 ，2 0 0 6，3 7 ( 8 ) ： 9 6 3 — 9 6 8 ． [ 5 ] 赵 娟 ，巴恒静 ，陈淮 ，等． 超长 高层 建筑在 昼夜温差作 崩下的 温度问题研 究[ J ] ． 工业建筑 ，2 0 0 4，3 4 ( 6 ) ： 3 5 — 3 8 ． [ 6 ] 林 振 辉 ．锦潭 水 电 站大 坝 施 工温 度 控制 [ J ] ，吉林 水利 ，2 0 0 6 f 8) ：4 2 — 4 4 ． [ 7 ] 孟振刚． 汾河二库大坝碾压混凝土施工质量控制『 J ] ． 山西水利科 技 ，2 0 0 2 ( 2 ) ： 2 4 — 2 7 ． [ 8 ] 陈阵 ，刘纪峰 ，张会 芝． 倒虹吸工程混凝 士裂缝分析及 防治 [ J ] ． 信 阳师范学 院学报( 自然科学版 ) ，2 0 0 6 ，1 9 ( 1 ) ： 1 0 4 — 1 0 7 ． [ 9 ] 曹 为民 ，吴健 ，闪 黎． 水闸闸墩 温度场及应 力场仿 真分析 [ J ] ． 河海大学学报 ，2 o o 2 ，3 0 ( 5 ) ： 4 8 — 5 2 ． [ 1 O ] 朱伯芳． 大体积 混凝土温度 应力与温度控制 [ M] ．北京 ：中 囝 电力出版社 ．1 9 9 8 ， [ 1 1 ] 陈守升 ，吉 顺 文． 泵 送 混凝 土结构 施工 期 温控 防裂 研究 [ J ] ． 水力发电 ，2 0 1 1 ，3 7 ( 2 ) ： 3 3 ～ 3 9 ． [ 1 2 ] 朱岳 明 ，徐之青 ，贺金 仁 ，等． 混凝 土水管冷却温度场 的 计算 方法[ J ] ． 长江科学院院报 ，2 0 0 3 ，2 0 ( 2 ) ： 1 9 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。要 建 好绿 色 电站 ， 除 了水 电企 业 自身 责 任 外 ，更 需 要 政 府相 关 政 策 的 支 持 ，解 决 制 约加 快 水 电 开发 的问 题 ，推 动 水 电建 设 事业 又好 又快 发 展 。 ( 责 任编 辑 陈 萍 )