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早期混凝土箱梁温度裂缝的数值模拟分析

秦绪喜

  在20世纪初,大体积的混凝土结构会由于水泥水化放热引起开裂的现象就已经众所周知,因此针对混凝土大坝及其他大体积水工结构建设的需要,开发出一系列避免其开裂的办法。近几十年来,基础、桥梁、隧道衬砌以及其他构件尺寸并不很大的结构混凝土开裂现象增多,同时发现干燥收缩通常在这里并不重要了,水化热及温度变化已经成为引起素混凝土与钢筋混凝土约束应力和开裂的主导原因。本文主要就是对吉林九站松花江特大桥在施工阶段在桥体上即出现了若干处裂缝,为分析其裂缝出现的原因,在理论计算上做了一些有意义的探讨,认为此桥产生裂缝的主要原因是水化放热所引起的。基于此运用有限元方法对此桥0#箱梁做了早期温度场及应力场的有限元模拟。本文采用I-deas 有限元软件对吉林九站松花江特大桥早期裂缝进行的仿真计算。第一章中首先阐述了混凝土结构中的温度分布及其影响因素,进而论述混凝土结构的温度效应。接着对温度裂缝形式与温度裂缝做了论述,指出混凝土中的温度裂缝占所有工程结构裂缝的80%左右,是工程结构裂缝的主导原因。其后对混凝土结构温度应力与变形,温度裂缝的研究现状做了探讨。最后是针对前面的论述对本文的选题背景和主要工作做了阐述。在混凝土早期温度场的计算中,混凝土早期的物理力学性能是随着其龄期发生变化的,因此文章在第二章中着重论述了混凝土早期的各物理力学性能及其随时间发展的规律,主要分析了混凝土的弹性模量,混凝土早期强度随时间变化的规律。同时也考虑到混凝土的收缩和徐变对混凝土早期温度场的影响。之后讨论了混凝土的热物理参数的确定。为了能够正确合理的应用有限元方法求解早期混凝土温度场问题,第三章论述了求解温度场的有限元方法。第三章首先对热传导的微分方程作了阐述。之后确定温度场的边界条件。本章采用变分原理推导有限单元法计算温度场的公式。因此在第二小节叙述了变分原理,然后阐明了不稳定温度场的计算的三种方法,确定第四章分析中将采用向后差分法求解0#箱梁早期的温度场。混凝土结构的温度裂缝是一个涉及因素众多的问题,第四章中作者运用I-deas软件对吉林九站松花江特大桥0#箱梁进行了温度场及应力场的仿真模拟,温度场中我们主要考虑了水化热升温,内外温差,混凝土体向外的散热。应力场主要考虑了重力和温度变化随时间对混凝土早期应力场的影响。从第四章的计算结果表明,早期钢筋混凝土结构温度的变化将使早期混凝土结构产生变形,如果变形所产生的应力大于同期混凝土的强度极限,将发生混凝土结构的开裂。有限元分析主要有以下结论:1)通过对第四章计算箱梁模型几何形状的介绍,我们建立模型时,应整体考虑选择适应的模型和建模方法,尽量符合工程原型且要便于计算分析,把大模型化为小模型,减少工作量和计算时间。2)过分析温度场的计算的结果可以看出,随着我们拟定测点处梁厚的加大,其时间温度曲线中最高温度值也随之增大,最大温差出现的时间要滞后于最大温度出现的时间。3)通过分析应力场的计算结果可以看出,第一天时应力最大值出现在翼缘与箱体交界处,之后应力最大区出现在隔板外表面。从有限元计算结果和考虑龄期的混凝土抗拉强度的对比图中我们可知考虑温度效应的早期混凝土在4,5天时达到最大应力值。基于第四章的计算,我们提出了避免早期混凝土出现裂缝的三点措施。首先可根据计算的“温度时间曲线图”和“应力时间曲线”进行养护温度的控制。其次可以在箱梁易产生温度裂缝的区域合理布置构造筋,使钢筋承受部分温度拉应力,降低混凝土受拉状况。第三,我们可以采取其他的措施,在不降低混凝土其它性能的条件下,选用水化热较低的水泥,尽量降低水泥用量,适当添加缓凝剂。水化热温度的快速增长在混凝土初凝后掺加适量的缓凝剂,既能增加混凝土的和易性又使水泥的水化速度减慢,峰值到来时间推迟,还可使峰值温度降低,达到控制箱梁早期温度裂缝的目的。早期混凝土结构的温度裂缝的研究是一个具有非常现实意义的研究。国内对此研究还只是处于开始阶段,从本文的论述中可知,根据材料的性质、水化热的发展、刚度的增大与松弛能力的减小、抗拉强度的增长、热膨胀系数与化学反应对变形都有影响。所有这些因素主要取决龄期、温度、水泥类型和混凝土拌合物的组成。在合理的考虑了混凝土的这些影响因素后,我们能够及时控制箱梁早期温度裂缝的发生。……   
[关键词]:混凝土;箱梁;水化热;温度;有限元分析
[文献类型]:硕士论文
[文献出处]:吉林大学2004年