侧墙早期温度场和应力场的计算分析.pdf
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1、北京交通大学 硕士学位论文 明挖地铁车站混凝土侧墙早期温度场和应力场的计算分析 姓名:陈敏 申请学位级别:硕士 专业:桥梁与隧道工程 指导教师:项彦勇 20060301 摘要 摘要 采用大型有限元分析软件A N S Y S 对明挖地铁车站侧墙温度场和应力 场进行了计算与分析。 为了模拟混凝土在浇筑和养护过程的早期温度场,采用2 横断面模 型和与温度及反应程度有关的水化热函数,考虑双面模板设置,选择( 深 圳市) 不同季节的表征气温作为环境温度,模拟钢模板、木模板及拆模时 间在不同环境温度下对混凝土早期温度场分布与演变的影响方式,对两种 模板的适用环境与合理拆模时间给出原则性建议,针对不同的模板
2、与使用 环境,提出关于混凝土入模温度的要求及措施。 对地铁车站混凝土侧墙在浇筑和养护过程的早期温度应力场进行模拟 计算,模拟采用3 - D 模型,计算了墙型、墙长及墙厚对混凝土早期拉应力 的影响方式,分析了内墙背面约束的影响深度,提出了相应的抗裂措施。 关键词混凝土水化热;早期混凝土;温度场;温度应力;模板养护;叠 合墙;复合墙: A b s t r a c t n l ef i n i t e - e l e m e n ta I l a l y s i ss o f c 、黜,A N S Y S ,i sa d o p t e dt oc o m p u t e 也e t e m p e
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12、 法,因而远远不能满足工程上的广泛需要,成了一个急待解决的问 题。因此通过分析建立相应的计算模型,实现对地下混凝土结构温 度应力场的定性分析,对于工程温度变形问题有着极其重要的意 义。 1 2 地铁车站侧墙裂缝的成因及特点 1 2 1 地铁车站侧墙裂缝的成因 长期的工程实践表明,引起地铁车站侧墙开裂的原因是极其复 杂的,由于绝大部分裂缝出现在施工期,此时上部荷载尚未施加, 由荷载引起的可能性不大,通常是由于温度作用和干缩引起的。 施工期地铁车站侧墙存在内外温差。混凝土表面与外界接触, 散热较快,无论在升温还是降温过程中,表面温度总低于内部温 度。即使在混凝土硬化后期,水化热已经散尽,结构体温度
13、接近周 围气温。若此时有寒潮来袭,气温骤降,结构表面急冷,由于混凝 土导热较慢,仍会产生内外温差。这种内外温差将造成混凝土内部 第1 章绪论 构。 7 ) 水化热温升较高,降温散热较快,因此收缩与降温共同作 用是引起混凝土裂缝的主要因素。 8 ) 控制裂缝的方法不像坝体混凝土那样采用特殊的低热水泥 及复杂的冷却系统,而主要靠改进结构设计、合理配筋及改进浇 筑、加强养护等方法提高结构的抗裂性能。 1 3 国内外研究状况 1 3 1 国外关于混凝土结构温度场与应力场的研究 国外对混凝土温度与裂缝研究的起步比国内相对早一些。早在 1 9 3 4 年,前苏联马斯洛夫为解决水坝的温度应力问题,应用弹性力
14、 学理论得出在基岩上矩形平面墙体的温度应力计算公式。计算中假 定基岩与墙体间有一温差,且在墙体内均匀分布,运用求解双调和 方程与确定混合边值条件的方法,最后得到非封闭的无穷级数解 答。 1 9 6 1 年日本京都大学森忠次研究了类似的问题,在刚性假定下 得出各种温度分布时的温度应力计算方法( 包括非线性温度分布) 。 次年,又研究了基岩为非刚性的解答,公式中考虑了内力与墙体尺 寸之间关系,结论认为内力仅与墙体长高比有关。而与其绝对尺寸 无关。 R u p e r ts p r i n g g e n s c h m i d ,R o l fB r e i t e n b u c h e r (
15、 1 9 9 0 ) 2 1 # 人 北京交通大学硕士学位论文 针对早龄期混凝土,用裂缝一一温度关系来对混凝土结构开裂趋势 进行估计,并给出了近似公式,此公式考虑了混凝土搅拌、水泥、 外加剂等的温度影响。 M i c h a e lS t a f fz u r ( 1 9 9 4 ) ”1 对基础底板上的墙体与底板交界处 因混凝土水化热而产生的裂缝进行了分析,给出了理论计算方法, 探讨了如何防止裂缝,提出了对底板进行预冷却,同时对墙体预加 热的技术措施,并且在实际工程中进行了实测,与理论计算结果对 比分析。 F S R o s t a s y ,T T a n a b e ,M L a u b
16、 e ( 1 9 9 8 ) 提出了以补偿平面 法( c o m p e n s a t i o np l a n e ) 计算混凝土结构约束应力,将墙体分为有 限层,分别计算每一层的约束系数,然后迭加得结构约束应力。文 献分析了建筑在岩石、软土以及混凝土上的墙体约束应力问题。 美国加洲大学的威尔逊( E L _ w i l s o n ) 教授旧是世界上最早把有 限元时间过程分析方法引入混凝土坝温度应力分析的。他在1 9 6 8 年 为美国陆军工程师团研制出可模拟大体积混凝土结构分期施工温度 场的二维有限元程序D O T - D I C E ,并用于德沃歇克坝( D W o r s h 8
17、kD a m ) 的温度场计算,威尔逊教授还和他人合作研制了考虑混凝土徐变的 应力分析程序。 美国陆军工程师团的工程师S B T a t r o 和E K S c h r a d e r 1 9 8 5 年 在美国混凝土学会( A C I ) 会刊上发表他们对美国第一座碾压混凝土 坝一柳溪坝( w i l l o wc r e e kD a m ) 温度场一维有限元分析成果,被认 为是碾压混凝土温度场有限元分析的第一份文献。 6 第l 章绪论 1 9 9 卜1 9 9 2 年美国 | 】o o d w a r d C 1 y d e 咨询公司又采用了D O T D I c E 的最新版本对斯太
18、基科奇坝( s t a g e c o a c hD a m ) 的温度场进行二维有 限元分析,重点研究了从施工结束到蓄水完毕的两年多时间内温度 场的变化,较好地反映水库蓄水后水温对坝体温度的影响,这是柳 溪坝一维有限元模型无法考虑的。 S B e r n a n d e r ( 1 9 9 8 ) 。1 分析了温度裂缝产生的原因,提出了裂缝 控制原则,对影响裂缝发展的各种因素进行了分析,总结了裂缝控 制措施。 1 3 2 国内关于混凝土结构温度场与应力场的研究 国内对混凝土早期温度应力的研究,主要集中在大坝混凝土 上,并已经取得了许多有价值的成果。 在大体积混凝土问题上,朱伯芳等人“m “”
19、3 对水工混凝土 结构的温度应力和裂缝控制进行了深入的研究。从1 9 5 6 年开始,朱 伯芳教授对混凝土温度应力问题作了系统研究,阐明了混凝土温度 应力发展的基本规律,提出了混凝土浇筑块、基础梁、熏力坝、船 坞、孔口、库水温度、寒潮、水管冷却等一系列计算方法。对混凝 土徐变力学,提出了徐变应力分析的隐式解法、子结构法和简谐徐 变应力分析的等效模量法。针对混凝土坝分层施工,各层材料性质 不同并随时间变化的特点,提出了并层算法和分区异步算法。其多 数成果已纳入我国水工结构设计规范。 王铁梦“”“”在大量建设实践和现场实验研究的基础上,从力学 北京交通大学硕士学位论文 的角度对混凝土裂缝产生的原因
20、进行了研究,提出了“抗”与 “放”的混凝土设计准则。其主要的内容是:在结构形式的选择方 面,采取微动、滑动及设缝措施,提供“放”的条件;在材料的性 能方面,采取提高抗拉强度、抗拉变形能力及韧性等提供“抗”的 条件。在具体工程中,采取“抗”与“放”相结合,以“抗”为主 或以“放”为主的措施来防止混凝土裂缝的产生。 吴胜兴“”提出了估算混凝土热力学指标的公式,并完善了钢筋 混凝土非线性有限元程序,使之能计算混凝土开裂后的温度应力和 模拟实际结构的开裂情况。 高勋华”7 3 对超厚超长钢筋混凝土结构施工的温控技术进行了总 结,文章认为温度收缩应力是结构混凝土裂缝产生的主要原因,提 出了简便实用的控制
21、温度裂缝计算公式,以及控制温度裂缝的施工 技术措施。 王增春“”针对大面积混凝土在变形荷载作用下的应力计算问 题,建立了三维应力模型,根据构筑物边界条件,推导了大面积混 凝土在变形荷载作用下应力近似解。 刘宁,刘光廷“”。”从随机环境影响因素、混凝土结构的随机热 力学参数、随机绝热温升以及混凝土徐变老化等多种影响方面对混 凝土结构的随机温度以及随机徐变应力的各种计算方法进行了系统 的评述,指出了各种方法的适用性以及今后需要解决的问题。 方义琳,卓家寿。”用刚体界面元法推导了求解温度场问题的方 程,该算法适用于连续以及不连续温度场,建立了刚体界面元法求 8 第l 章绪 论 解温度应力及徐变应力的
22、公式。 张德兴。”对弹性地基上有垂直与水平方向约束的混凝土结构提 出了一种计算温度应力的近似解析方法,通过计算机程序分析板中 温度应力随各种不同参数变化的规律,强调软土地基,尤其是上海 淤泥质土上基础板的非均匀温度应力。 葛世平。3 1 通过对上海地区环境温度以及车站结构内腔温度的监 测,得到季节性温度在车站结构内腔的变化规律,为研究温度变化 引起的车站结构纵向变形及内力提供了基础。模拟车站结构在常规 施工工序,一定的边界条件下,施工阶段混凝土板水化热温度应 力,并将计算所得水化热残余应力作为板中初始应力,在考虑季节 性温差和建成后3 5 年干缩应力的基础上,采用三维有限元分析车 站结构整体纵
23、向温度应力。 温竹茵“”推导了她铁车站的温度、干缩应力及裂缝宽度公式, 用计算实例说明了减小温度应力的措施。 刘杰。5 1 介绍了地下室墙板混凝土的温度应力和裂缝开展的研究 现状,开展了混凝土早期力学性能的实验研究,探讨了地下室墙板 温度场和温度应力的解析法解和有限元法解。 李磊”对钢筋混凝土结构施工中裂缝的形状、位置、数量、出 现时间及发展变化特征进行了统计,并对裂缝的产生原因进行了分 类分析。改进了应力计算模型,推导了地下墙板和四周有约束的楼 板混凝土温度应力的解析解,结合施工过程中其它因素,找出了施 工中裂缝的主要原因。 9 北京交通大学硕士学位论文 万在龙M 首先完成了大量的关于混凝土
24、早期材料性质的实验, 如抗压强度、弹性模量以及收缩随龄期的发展曲线。在此基础上, 结合混凝土内部宏观湿度场扩散模型与微观收缩机理模型,来模拟 混凝土内部温湿度场变化,以及其结构早期的应力应变随龄期的发 展。同时开发了三维有限元分析软件,用于混凝土早期变形的预 测。 1 4 本论文的研究内容 本论文研究是地铁明挖车站混凝土侧墙早期的温度场和应力 场,具体内容为: 1 ) 钢模板、术模板的适用环境与合理拆模时间? 入模温度的 要求及措施? 采用2 D 横断面模型和与温度及反应程度有关的水化热函数, 考虑单面、双面模板设置,选择深圳市不同季节的表征气温作为环 境温度,模拟钢模板、木模板及拆模时间在不
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