大體積混凝土澆筑過程中的溫度場應力場分析第一章6頁

1、1.1選題的目的和意義混凝土是世界上應用最廣、用量最大的、幾乎隨處可見的建筑材料，廣泛應用于工業(yè)與民用建筑。大體積混凝土在現(xiàn)代工程建設中占有重要的地位。我國每年僅在水利水電工程中所澆筑的大體積混凝土就在一千萬方以上。此外，港工建筑物、重型機器基礎、核電站基礎、某些高層建筑基礎等也往往采用大體積混凝土進行建設。對于大體積混凝土，到目前為止，大體積混凝土還沒有一個統(tǒng)一的定義。美國混凝土協(xié)會（ACI）規(guī)定的定義是:任何現(xiàn)澆筑的混凝土,其尺寸大到必須采取措施解決水化熱及隨之引起的體積變形問題,以最大限度地控制減少開裂,就為大體積混凝土。日本建筑學會標準（JASS5）的定義是:結構斷面最小尺寸在80厘米

2、以上,水化熱引起的混凝土內(nèi)最高溫度與外界氣溫之差,預計超過25的混凝土,稱為大體積混凝土。上海建設工程局深基礎若干暫行規(guī)定中的定義是:當基礎邊長大于20米，厚度大于l米，體積大于400立方米的現(xiàn)澆混凝土，稱為大體積混凝土。寶鋼工程建設時規(guī)定:任何體積的連續(xù)性現(xiàn)澆混凝土，當它的尺寸大到必須采取措施妥善處理所發(fā)生的溫差，合理解決變形變化引起的應力，并有必要將裂縫開展控制到最小程度，這種現(xiàn)澆混凝土為大體積混凝土。北京第六建筑工程公司的定義是:單面散熱的結構斷面最小尺寸在76厘米以上，雙面散熱的結構斷面最小尺寸在1O0厘米以上;水化熱引起的混凝土最高溫度與外界氣溫之差預計超過25的現(xiàn)澆混凝土，為大體積

3、混凝土。王鐵夢在工程結構裂縫控制中的定義是:在工業(yè)與民用建筑結構中，一般現(xiàn)澆的連續(xù)墻式結構、地下構筑物及設備基礎等是容易由溫度收縮應力引起裂縫的結構，通稱為大體積混凝土結構。本定義與美國ACI116R的大體積混凝土定義一致。實際上這類結構的體積和厚度都遠小于水工結構的體積和厚度。雖然沒有統(tǒng)一的標準，但大體積混凝土廣泛的應用于大壩，港口，大型橋體等工程中。以三峽工程大壩為例，三峽工程大壩為混凝土重力壩，最大壩高181米，樞紐工程混凝土澆筑總量達2800萬立方米。如此巨大的混凝土工程施工總量，導致了三峽工程混凝土施工澆筑的高強度施工。三峽工程混凝土澆筑高峰集中在第二階段工程，其混凝土澆筑總量達18

4、60萬立方米。根據(jù)施工進展及總進度的安排，1998年為118萬立方米，1999年為458萬立方米，2000年為548萬立方米，2001年為403萬立方米，2002年計劃完成142萬立方米。施工高峰時段主要集中在19992001年三年間，其中，以2000年的混凝土澆筑強度為最高，要求年最高澆筑量達到500萬立方米，月最高達到40萬立方米，日最高達到2.0萬立方米以上。此外，大型斜拉橋和懸索橋中也大量使用大體積混凝土。廣州珠江黃埔大橋是廣州東二環(huán)高速公路的核心工程，總投資近27億元。大橋全長7047米，由主跨383米獨塔斜拉橋和主跨1108米的懸索橋組成。橋?qū)?4.5米，為6車道，并預留遠期8車道

5、位置。大橋后錨塊最長32.0米，寬26.25米，高31.37米，混凝土強度等級為C30。.后錨塊混凝土總方約為C30混凝土41720立方米?？偼顿Y57.8億元、位于江蘇省鎮(zhèn)江、揚州兩市西側的江蘇潤揚長江大橋主要由南汊懸索橋和北汊斜拉橋組成，南汊橋主橋是鋼箱梁懸索橋，索塔高209.9米，兩根主纜直徑為0.868米，跨徑布置為470米1490米470米；北汊橋是主雙塔雙索面鋼箱梁斜拉橋，跨徑布置為175.4米+406米+175.4米，倒Y型索塔高146.9米，鋼絞線斜拉索，鋼箱梁橋面寬。該橋主跨徑1385米比江陰長江大橋長105米。大橋建設創(chuàng)造了多項國內(nèi)第一，綜合體現(xiàn)了目前我國公路橋梁建設的最高水

6、平。結合工程實例可以看出，大體積混凝土結構具有以下特點：（1）混凝土是脆性材料，抗拉強度只有抗壓強度的十分之一左右；拉伸變形能力很小，短期加載時的極限拉伸變形只有，約相當于溫度降低6-10的變形；長期加載時的極限拉伸應變也只有（2）大體積混凝土結構斷面尺寸比較大，混凝土澆筑以后，由于水化熱的發(fā)生，內(nèi)部溫度急劇上升。此時混凝土的彈性模量很小，徐變較大，升溫引起的壓應力并不大；但在日后溫度逐漸降低時，彈性模量比較大，徐變較小，在一定的約束條件下會產(chǎn)生相當大的拉應力。（3）大體積混凝土通常是暴露在外面的，表面與空氣或水接觸，一年四季中氣溫和水溫的變化在大體積混凝土結構中會引起相當大的拉應力。（4）大

7、體積混凝土結構通常是不配鋼筋的，或只在表面或孔洞附近配置少量的鋼筋，與結構的巨大斷面相比，含鋼率是極低的，一旦出現(xiàn)了拉應力，就要依靠混凝土本身來承受1。從大體積混凝土承受荷載方面看，大體積混凝土通常承受兩種不同性質(zhì)的荷載：包括水壓、泥沙壓、地震、滲壓、風浪、冰凌以及結構自重與設備重量等；另一類是混凝土本身的體積變化所引發(fā)的荷載，包括溫變、徐變、干濕變化、混凝土自生體積變形等所引發(fā)的荷載。對于前一類荷載，要保證結構不產(chǎn)生或只產(chǎn)生很小的拉應力并不困難。但在施工和運行期間，要把后一類荷載所產(chǎn)生的拉應力控制在允許范圍內(nèi)則是一件很不容易的事情。正是由于后一類荷載（其中主要是溫變）的作用，在大體積混凝土結

8、構中會由于產(chǎn)生過大的拉應力而出現(xiàn)裂縫。當結構不受任何約束時，能夠自由膨脹或收縮。溫度變化時就不產(chǎn)生應力，即為自由溫度變形；另外結構的溫度場均勻變化或呈線性變化，并且不與處于另一力學變形、溫度變化的物體相聯(lián)系，也不會產(chǎn)生應力。因?qū)嶋H工程都難以滿足上述兩種條件，故一般的混凝土結構由于溫度變化都將產(chǎn)生溫度應力。實踐證明溫度應力是不可忽略的因素，否則將帶來嚴重的不良后果。因此溫度應力場的分析對大體積混凝土的有著重要意義2。溫度變化對大體積混凝土的影響主要有：引起結構內(nèi)力的變化，導致混凝土裂縫；對結構的應力狀態(tài)引起應力重分布，不能按照設計時確定的應力狀態(tài)發(fā)展。溫度變化引起的應力甚至超過其它荷載應力，尤其

9、是在結構溫度急劇變化時，將產(chǎn)生很大的拉應力，而混凝土為脆性材料，其抗拉強度非常低，常因溫度應力導致混凝土結構受拉力破壞。實際工程中，大量的大體積混凝土結構大橋橋墩、大體積混凝土壩、建筑物基礎等都受到裂縫問題的困擾。無論是工程設計單位還是施工單位，對于該問題往往束手無策，只是通過經(jīng)驗判斷的方法進行裂縫控制，然而結果收效甚微。因此通過理論分析建立相應的計算模型，實現(xiàn)對大體積混凝土結構溫度應力場的定量分析，對于工程溫度變形問題有著極其重要的意義。由此可見，對大體積混凝土澆筑過程中的溫度場，應力場的耦合關系分析非常必要。本文就是利用有限元的方法對大體積混凝土澆筑過程中的溫度場和應力場進行分析，并應用A

10、NSYS軟件分析二者的耦合關系，得出混凝土產(chǎn)生裂縫與溫度之間的關系。1.2研究現(xiàn)狀隨著混凝土溫度場和應力場問題的大量出現(xiàn)，人們越來越意識到因溫度開裂給工程帶來的嚴重影響。近年來國內(nèi)外學者對溫度問題作了大量的實驗、理論和數(shù)值分析研究。1985年舉行的第十五屆國際大壩會議將混凝土的裂縫問題列為會議的四大議題之一；1992年在美國加利福尼亞州圣地亞哥市第三次碾壓混凝土會議上P.K.Barrett等創(chuàng)造性地把Bazant的Smeared Crack開裂模型引入大壩溫度應力的分析中；日本學者首先用有限元和差分法計算壩體溫度場，利用ADINA程序計算三維應力場，并預測了宮瀨壩在施工期和運行期開裂的可能性。

11、近年來，他們通過大量的實驗證明：和大體積混凝土緊密連接的應力計，可以方便地測出各部位的溫度應力，并且斷言，只要與溫度應力有關的材料參數(shù)的精度足夠，其實測的溫度應力的精度也就足夠3。我國在大體積混凝土結構的溫度應力數(shù)值分析和理論研究的許多方面處于世界的前列。劉興法中闡述了溫度應力的特點：一是它與一般荷載應力不同，基本上應力和應變不再符合簡單的虎克定律關系，出現(xiàn)小應變大應力和大應變小應力的情況，但是伯努利的平面變形規(guī)律仍然適用，溫差應力則與平面變形后保留的應變和溫度自由應變之差成正比。二是由于溫度荷載沿壁板厚度方向的非線性分布，故截面上溫度應力分布具有明顯的非線性。三是由于溫度分布是瞬時變化的，所

12、以在結構中的溫度應力也是瞬時變化的，具有明顯的時問性4。王鐵夢以彈性理論作為分析結構由于溫度作用產(chǎn)生變形引起的應力狀態(tài)的基本工具，通過多年的實踐認為結構的溫度應力是與“約束”分不開的，大致可分為“外約束”和“內(nèi)約束”兩大類。八十年代以來，中國水利水電科學研究院、清華大學、天津大學、河海大學、西安理工大學、武漢水利電力大學、大連理工大學等，都進行了混凝土溫度應力的攻關研究，分別對沙溪口溢流壩、鹽灘工程圍堰、觀音閣、銅街子、二灘、三峽、溪落渡、小灣、普定、龍灘等己建、在建和待建的混凝土壩，進行了溫度應力的計算分析，取得了一批有價值的成果。在溫度場、溫度應力場仿真分析方面，1985年美國陸軍工程師S

13、.B.Tatra和E.K.Schrader對Willow壩采用一維溫度場分析，開創(chuàng)了仿真分析的先例。在國內(nèi)朱伯芳提出的擴網(wǎng)并層算法；天津大學趙代深等提出增量的全過程仿真動態(tài)模擬方法，對銅街子碾壓混凝土壩和五強溪等工程作了全過程溫度場和應力場仿真計算研究；西安理工大學提出的網(wǎng)格浮動法；武漢水利電力大學提出了非均質(zhì)單元法；大連理工大學的波函數(shù)法；河海大學在7990年至1992年間結合小浪底工程完成了大體積混凝土結構的二維、三維有限元仿真程序系統(tǒng)（TCSAP），且提供了豐富的前后處理和圖形輸出技術；清華大學劉光廷應用“人工短縫”成功地解決了溪檳碾壓混凝土拱壩兩岸的溫度拉應力問題。在應力開裂仿真計算方

14、面，武漢水利電力大學的肖明提出了考慮外部溫度變化效應的三維損傷開裂非線性有限元分析方法；天津大學的趙代深教授提出混凝土壩澆筑塊長度三維仿真敏感分析問題；陳敏林提出了估算應力方法；朱伯芳的并層算法和分區(qū)異步長法；劉光廷的大體積混凝土結構溫度場隨機有限元算法；曾昭揚教授等系統(tǒng)地研究了碾壓混凝土拱壩中“誘導縫”的等效強度、設置位置、開裂可靠性問題；河海大學陳里紅首次在溫度應力仿真分析中考慮了混凝土的軟化特性，并在龍灘碾壓混凝土壩的溫控設計中建立了一、二、三維有限元綜合分析的數(shù)值模型剛5。上述的溫度場、應力場仿真分析方法一般是結合具體的工程進行研究的，盡量將溫度應力、開裂與仿真相結合，各種方法計算出的

15、溫度場相近，但應力場有一些差別。為大體積混凝土溫度應力計算奠定了堅實的基礎。1.3研究方案和預期結果本論文是在理解大型混凝土溫度場和應力場概念與研究現(xiàn)狀的基礎上，建立大型混凝土澆筑過程中的溫度場和應力場耦合與數(shù)值仿真的數(shù)學模型及其數(shù)值模擬方法。使用ANSYS參數(shù)化設計語言編制一套計算程序，計算混凝土澆筑過程中溫度、應力之間的關系，以減少工程上大型混凝土因溫度產(chǎn)生的裂縫。研究內(nèi)容：1、分析大體積混凝土澆筑中溫度產(chǎn)生機理。2、大體積混凝土澆筑過程中溫度場和應力場計算原理。3、建立大體積混凝土澆筑過程中溫度場和應力場的數(shù)學模型。4、利用ANSYS進行溫度場和應力場的分析及計算。5、計算工程實例。技術路線圖：大體積混凝土澆筑中溫度產(chǎn)生機理大體積混凝土澆筑過程中溫度場和應力場計算原理大體積混凝土澆筑過程中溫度場的計算大體積混凝土澆