温度应力（精选十篇）
温度应力 篇1
关键词：温度应力,预应力,释放约束,橡胶支座
近年来, 随着国内建筑设计和施工技术发展, 工程中出现了很多超长超大混凝土结构。考虑到建筑物的整体性以及美观性, 往往不设或少设伸缩缝, 因而不设置伸缩缝的长度大大超出了我国规范规定的伸缩缝间距限制。而且结构越长, 温度应力越大, 如果设计和施工中不采取有效措施, 其楼层和屋盖会大面积开裂, 严重影响正常使用。因此, 对于本文中机场这种超长混凝土结构来说, 温度应力应该加以考虑。
1工程概况
某机场为大型枢纽机场, 国家重点工程, 航站楼南北长约850 m, 东西宽1 120 m。主楼地下3层, 地上3层, 主体结构采用现浇钢筋混凝土框架结构。楼层的平面布置图见图1。
2温度应力
2.1 产生温度应力的条件及原因
假定混凝土结构是完全弹性的各向同性体, 根据物理方程和相容方程可知:当无外约束时, 结构能自由收缩变形, 最大的变形为αT, 其中α为结构的热膨胀系数。若温度场T的变化仅是坐标的一次函数, 那么这是一个稳定的温度场, 不会产生应力;如果有外约束, 则任何温差都将产生应力。在全约束条件下, 结构存在最大应力:ET/ (1-2μ) 。
由以上分析我们可以看到满足以下条件者, 结构将不产生温度应力:1) 结构是自由体, 结构无外部约束, 能自由变形;2) 截面上的温度场是稳定的, 不随时间变化。由此看来, 在混凝土结构施工和使用时很难全部满足以上条件。在各种复杂的温度环境中, 实际的温度分布是不稳定且非线性的, 而且混凝土温度应力实际上是一种约束应力, 这种约束应力包括内约束应力和外约束应力, 外约束应力指结构物边界条件的约束, 内约束指结构内部非均匀的温度及收缩引起各质点变形不均匀而产生的相互约束, 这些由温度变化引起的应力超过某一数值, 便引起了裂缝。
温度应力分为两类, 第一类是平均温度应力, 其产生的原因主要是楼板受到降温或升温作用后, 产生热胀冷缩, 导致楼板伸长或缩短, 而结构的约束对楼板自由伸长或缩短的限制, 必然会在板中引起应力, 这种应力在板内基本上是均匀分布的;第二类是弯曲温度应力, 其产生的原因主要是由于混凝土楼板的变形引起柱剪力, 继而引起柱弯矩, 由于柱和梁刚接, 因而柱弯矩传到梁板上, 产生弯曲应力。而这两种应力在不利荷载组合下都有可能在结构中产生裂缝。
2.2 温度应力解决方法
针对温度应力的原理和分类情况, 通常可以采用两种方法来解决因未设置伸缩缝而产生的温度应力:1) “抗”的措施。在结构中加入一定的压力以抵抗温度变化带来的拉应力。而混凝土结构的抗压强度远高于抗拉强度, 就为这种方法提供了前提条件, 预应力方法就是这种方法的典型代表。在对温度应力进行计算以后, 有针对性地设置预应力钢筋, 通过张拉在楼板中预先引入一定程度的压应力来抵消因混凝土收缩而引起的拉应力, 这种方法对解决平均温度应力很有效, 能达到限制裂缝宽度的目的。2) “放”的措施。通过减少或减弱结构的约束条件来达到释放温度应力的方法。首先, 可以采用设置后浇带的方法来防止或减少温度收缩裂缝;其次, 可以在保证结构安全的基础上通过减小竖向构件如墙、柱的侧向刚度, 使得原来侧向变形较大的柱子对上部楼层侧向变形的约束程度降低, 从而大幅度减小梁柱、楼板结构中的温度应力。
2.3 施加预应力
施加预应力是一种主动解决方式, 其原理是结构成型时事先在结构的长度方向建立一定数量的轴向预压应力及相应的预压应变, 用以克服结构因降温和混凝土收缩引起的收缩变形, 全部或部分抵消由此产生的拉应力, 避免混凝土开裂或限制裂缝的宽度。
预应力解决温度应力的一般步骤:
1) 依气象资料等估算温差, 一般可满足精度要求。若需要准确值, 需现场测试;2) 有限元计算温差作用下每层结构的温度应力;3) 初步估计普通钢筋和预应力筋的数量, 确定预应力张拉方式, 并计算预应力损失;4) 计算结构在温度应力, 预应力及其他外荷载作用下结构的组合内力;5) 运用规范公式进行裂缝计算并与要求限值进行比较;6) 针对计算结果对配筋率进行优化。
应该说明的是, 任何一道裂缝的产生, 都可能是普通荷载及温差、混凝土收缩、不均匀沉降等其他变形受约束的广义荷载综合作用的结果。温降收缩作为一种荷载作用, 它所产生的混凝土截面拉应力应该与其他荷载产生的截面拉应力组合, 进行截面抗裂验算。如果预应力施加得当, 它能有效地将预加应力传递到楼板上, 使楼板产生一定量的预压力, 并平衡降温导致的拉应力。此时如果不考虑预应力筋作为普通钢筋对裂缝的有利影响, 那么结构裂缝的开展仅仅与结构原来的普通荷载有关, 这也是以下算法的原理:预应力产生的应力刚好抵消温度作用下结构中的温度应力, 则每米板中配置预应力筋根数为:
其中, B为板厚;σt为结构温度应力;σpe为有效预压力;A为预应力筋的面积。
2.4 释放约束
由于施加预应力主要解决结构的平均温度应力, 另外受结构尺寸、材料强度等方面的限制, 施加预应力所能起到的作用受到限制。因此不能完全采用“抗”这一思路解决问题, 比较可行的方法就是在预应力基础上再“放”, 即尽可能减小框架柱的抗侧刚度, 减小柱侧移引起的弯矩以释放温度应力。鉴于以上对弯曲温度应力产生的原因以及特点的分析, 结合工程实践, 本文提出了在混凝土框架结构的底层与地下-2层之间的柱顶设置弹性橡胶支座的方法, 以此来释放框架柱对上部楼层的约束, 使得原来底层上的柱子不再约束楼层的侧向变形, 从而大幅度减小柱子、各楼层结构中的弯曲温度应力。支座示意图见图2。
如果在所有底层柱顶设置弹性橡胶支座, 相当于在整个上层楼层结构底部设置了弹簧支座, 在温度作用引起的水平温度应力的作用下, 能产生水平方向的位移, 从而能释放部分的温度应力。而弹性橡胶支座的水平刚度和竖向刚度确保了结构不至于出现过大的变形, 以保证结构的稳定。
2.5 计算结果
本文通过有限元软件Midas进行楼板温度应力计算, A区计算模型见图3。
本文计算的温差为20 ℃, 为比较橡胶支座对结构温度应力的影响, 采用Midas软件对有无橡胶支座的模型进行了分析, 其中橡胶支座通过设置弹性连接的方式实现, 最后计算的各楼层温度应力见表1。
本工程采用的是有橡胶支座的模型, 既有抗震耗能的作用, 又能有效释放部分温度作用所产生的温度应力, 最后得出平衡结构温度应力所需的预应力筋见表2。
3结语
通过对本工程温度应力的分析, 得出以下结论:1) 结构在温度作用下会产生较大的温度应力, 而且温度应力的大小与结构所受约束的程度密切相关;2) 运用文中介绍的方法并结合简化计算公式可方便求出结构平衡温度应力所需的预应力筋数量;3) 通过施加预应力和使用橡胶支座均可降低结构的温度应力, 而且这两种方法的结合使用是有效可行的。
参考文献
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高等级公路半刚性基层温度应力分析 篇2
高等级公路半刚性基层温度应力分析
半刚性基层能适应现代公路运输交通量大,车辆大型化的需要,是高速公路、一级公路的主要基层类型.它最大的问题之一是较客易出现裂缝,其中除有荷载应力导致的结构性破坏裂缝外,还有由于半刚性基层内部产生的收缩应力大于材料的抗拉极限强度而导致的收缩裂缝.半刚性基层高等级路面的.开裂破坏是路面的一种主要破坏形式,由基层开裂引起的反射裂缝已成为半刚性路面的主要病害之一.基层结构的温度收缩变形伴随着结构层使用的全过程,对道路结构的稳定性有很大的影响.由于路面基层通常为纵向连续,对温度胀缩变形有很大的约束,因此,会产生较大的温度应力,致使基层产生温缩裂缝.基层温缩应力引起的路面破坏早已受到人们的重视,针对于面层覆盖下基层温度应力的发展,及其对面层的影响开展了大量的研究,为控制道路面层出现反射裂缝、减少路面损坏提供了理论依据.
作 者：牟俊杰 作者单位：宁夏公路管理局吴忠分局,宁夏吴忠,751100刊 名：科技信息英文刊名：SCIENCE & TECHNOLOGY INFORMATION年，卷(期)：“”(13)分类号：U4关键词：高等级公路 半刚性路面 温度应力 结构性破坏 收缩应力 反射裂缝 伸缩变形 耐久性
温度应力 篇3
一、工程概况
某学校田径场是一幢底层架空、屋面为露天田径场的综合性体育建筑。该建筑底层南面架空7m,北面架空为4.6 m,设有室内短跑跑道、篮球场、乒乓球、体操活动场及学生课外活动场等。架空层屋面为300 m环形跑道和足球场。该建筑总长130 m,总宽55 m,总建筑面积5858m2。建筑功能要求不能设置伸缩缝。
二、温度收缩应力的产生及影响
在建筑工程中,新浇灌的砼在结硬过程中会收缩,已建成的结构当温度变化时会产生热胀冷缩。当这两种变形受到约束时,就会在结构内部产生“强制应力”,也就是收缩应力或温度应力(应力值δ=ε×E,式中,ε为收缩应变或温度应变,E为砼弹性模量)。其中砼的收缩变形是水泥凝胶体本身的体积收缩即所谓凝缩和砼失水产生的体积收缩即所谓干缩这两部分组成的。变形是由于其体积在温差下具有热胀冷缩的性质而产生的。当建筑物的长度越长时,影响因素包括水泥用量、砼的强度等级、骨料和级配、水灰比及养护条件等。楼板等纵向连结构件由于收缩和温度变化引起的长度改变就越大,如果这些纵向连接构件的收缩变形受到竖向构件(柱、墙)的约束,就会在砼结构内产生收缩拉应力,约束越强则产生的收缩拉应力越大,当其达到砼的极限抗拉强度时,就会导致砼结构的开裂,影响结构物的正常使用。因此现行规范规定“现浇钢筋砼框架结构伸缩缝最大间距在室内55 m,露天为35 m”,但是规范也规定“有充分依据和可靠措施时,伸缩缝最大间距可适当增大。”这就为本工程不设置伸缩缝提供了可行的设计依据。
三、构造措施
本工程在控制结构裂缝的设计过程中,采取“抗放兼施”的方法,使结构即不产生很大的变位,又不产生很大的应力,确保承载力的极限状态,又满足使用极限状态。
“抗”的原则即所选用的结构材料具有足够的抗拉强度和极限拉伸,超过最大约束应力和最大约束拉伸变形(R≥δmax,ε≥εmax),使其中在任意长度不设伸缩缝时亦不开裂。如采用专门的预加应力措施,通过预压应变的建立以压抗拉,达到控制砼收缩。
“放”的原则即给结构创造自由变形式的条件(ε=εmax,δ=0),使其在任意长度,任意温差下不产生约束应力。如采用设置后浇带分段施工。
1.设置后浇带
本工程长度为130 m,以间距约30 m设置了三道后浇带,后浇带形状为齿状,后浇带宽0.8 m,将130 m长的屋面结构分割成四块,保证后浇带两侧的砼能相对自由收缩,由于早期收缩量占收缩变形的大部分,后浇带保留时间为60天,在此其间,“早期温差”以及至少有30%的收缩都已完成。同时后浇带浇筑砼时的气温与主体结构砼浇灌时的温度接近。
2.预应力钢筋的应用
考虑长向温度收缩应力的作用,对于长向(130 m)的梁、板采用布置无粘结预应力筋的措施,具体为次梁、中框架梁、边框架梁分别布置2、3、4束无粘结预应力筋(对称梁中和轴布置),板内每隔750 mm设置3束无粘结预应力筋,利用预应力钢筋对混凝土产生的预应力抵消该方向的温度收缩应力,所有预应力钢筋束延伸过后浇带进行张拉与锚固。
3.采用补偿收缩砼
本工程超长屋面采用补偿收缩砼,在砼中掺入10%水泥用量的U型膨胀剂(UEA),UEA在水化过程中生成大量的膨胀结晶物(钙钒石)不断填充孔隙,制成密实、收缩小而又产生适度膨胀的砼,受到相邻钢筋及边界约束时,能在砼中建立0.02～0.05%的预压应变,相应的预压应力可达0.2～0.7MPa,从而有效抵消收缩产生的拉应力,从而使砼处于拉而不裂的应变下。在UEA补偿收缩砼的应用时注意了以下几点:(1)严格控制设计配合比,由实验室试配确定。(2)UEA补偿收缩砼由于U型膨胀剂的掺入,使其坍落度有所损失,(初)终凝时间提前约两小时,施工时应注意振捣密实,保证砼质量、减小收缩。(3)加强砼的养护工作,作到保温保湿,确保砼硬化过程中收缩较小,避开失水收缩与温降峰值重叠。同时在后浇带掺入12%U型膨胀剂,形成后浇带处大两侧小的膨胀应力曲线,以补偿相应集中的收缩应力。
4.钢筋混凝土材料的选用
(1)钢筋。由于混凝土材料结构是非均质的,承受拉力作用时,将产生应力集中点,当应力达到抗拉强度极限时,引起局部塑性变形。适当配筋将约束混凝土的塑性变形,分担砼的内应力,推迟砼裂缝的出现,即提高了砼的极限拉伸和结构的抗裂性。相反,由于钢筋没有收缩的性质,当混凝土收缩时它将对砼的收缩产生阻碍作用,从而使钢筋受到牵制压应力,使砼受到牵制拉应力,截面配筋率越大,这种牵制拉应力就越大,当截面中配筋过多时,甚至使砼受拉开裂。本工程屋面层板厚150 mm,板筋设计为双层双向配φ10@150,配筋率为0.35%,从而起到有效控制裂缝的作用。
(2)混凝土。由于混凝土应力值δ=ε×E,混凝土强度等级越高,弹性模量E越大,应变ε保持不变,应力值即拉应力越大,易产生裂缝。考虑到本工程短向为24 m跨预应力框架梁结构体系,混凝土强度等级不宜小于C30,故本工程屋面层混凝土强度采用C35。同时严格控制砼原材料的质量和技术标准,粗细骨料的含泥量尽量减少(小于1%);控制砼的水灰比,应在满足强度要求及泵送工艺要求条件小尽可能降低(建议掺入减水剂);尽量减少水泥用量,以降低混凝土的绝热温升,从而减少混凝土浇筑后的里外温差。
5.混凝土的浇筑与养护措施
(1)施工阶段,屋面层砼按后浇带分成四大块浇筑,每块采用推移式连续浇筑。后浇带也采用分块浇筑。
(2)屋面层砼应在温度较低时浇筑,气温低有利于克服大量水化热对建筑造成的不利影响。同时避免雨中浇灌混凝土,因为含水量越高,表现为水泥浆量越大,坍落度大,收缩越大。
(3)在混凝土浇筑过程中,及时清除混凝土表面的泌水。
(4)砼浇筑完后,及时进行保温养护,采取塑料薄膜、草袋遮盖措施,以减少内外温差,在防水隔热层施工之前不得拆取遮盖物,同时浇水养护期限不得少于15天。保温遮盖物的拆除亦应分层逐步进行。
(5)在保温养护过程中保持混凝土表面的湿润,并做好防风措施。
(6)尽量延长砼的养护时间,待砼达到设计强度后,再拆除模板。
6.加强屋面保温隔热措施
本工程设计尽量使围护结构外包主体结构,屋面运动场由于有种植草皮,加上防水层、塑胶层,厚度达30cm～40cm,对建筑物的保温隔热有良好的效果,适当降低了内部结构的温差,以减小结构温度变形。
四、考虑温度变化和混凝土收缩对结构的其他影响
因为温度变化和混凝土收缩这类间接作用引起的变形和位移对于超静定混凝土结构可能引起很大的约束应力,不仅导致结构构件开裂,甚至结构的受力形态会发生变化。因此该工程的温度应力由省建科院协助采用有限元SAP程序进行详细的分析计算,并采取提高结构两端梁、柱配筋率等构造措施。
本工程现已竣工,投入使用中效果良好。
混凝土底板温度分布及温度应力分析 篇4
在基础混凝土中, 出现裂缝是不可避免的。混凝土浇注后, 由于混凝土体积庞大, 在硬化期间水泥放出的大量水化热不易散发, 温度持续上升, 使混凝土表面与内部的温差很大, 此时表面受到内部混凝土的约束, 便出现内约束裂缝。此外, 混凝土基础浇注在基岩上, 当混凝土冷却收缩, 全部或部分受到地基或其它外部结构的约束, 使混凝土内部产生很大的拉应力, 如果其拉应力超过混凝土的抗拉强度, 便会产生外约束裂缝。这些裂缝的出现, 将会破坏基础的整体性;有时裂缝是贯通性的, 会影响基础的正常工作性能[1]。
为了有效控制温度裂缝的开展, 确保工程质量, 对混凝土基础温度分布及温度应力进行监测和模拟显得非常重要, 在此基础上采取或调整合理有效的温度控制措施是防止温度裂缝的关键[2]。
1 温度分布及温度应力计算原理
1.1 温度分布计算原理
热传导方程对初始条件和边界条件下温度分布的求解是混凝土温度分布分析的理论基础[3]。热传导满足下列微分方程:
式中, T为温度;θ为混凝土的绝热温升;α为导温系数;为由于水化热作用, 在绝热条件下混凝土温度上升速度:
式中, Q为物体内部热源密度;c为比热;ρ为密度;W为水泥用量;q (τ) 为单位重量水泥在单位时间内放出的水化热。
1.2 温度应力计算原理
采用增量法计算混凝土温度应力, 即:把时间划分为一系列的时间段Δτ1、Δτ2、…、Δτn, 在第i时段Δτi (i=1, 2, 3, …, n) 内的温度增量为ΔTi=T (τi) -T (τi-1) , 由温差ΔTi引起的弹性温度应力增量为Δσie, 总的应力为
2 仿真分析
2.1 工程概况及建模
江苏省昆山市某大厦为一栋地下1层、地上27层建筑物, 基础底板呈矩形。施工时最高气温33℃, 最低气温25℃, 日平均气温29℃, 混凝土入模温度30℃。混凝土设计强度等级C40, 配合比见表1[2]。
kg/m3
混凝土底板建模时, 长为79.1m, 宽为31.5m, 厚为1.95m。地基土体建模时, 长、宽、厚分别取160m、80m、10m。由于基础、地基的对称性, 取四分之一区域作为计算域。温度场分析时采用热单元SOLID70进行模拟;温度应力模拟时采用结构单元SOLID45。计算模型如图1所示。
为便于分析, 对底板进行如下简化: (1) 底板为一次性浇筑, 不考虑底板施工过程中分层、非连续浇捣对温度分布的影响; (2) 不考虑徐变和收缩对底板温度应力的影响; (3) 只模拟浇筑后前16d的温度分布和温度应力。
2.2 水化生热
采用复合指数形式来模拟水泥水化热随龄期的变化[3]:
式中, Q0为最终水化热, 根据水泥品种, Q0取330k J/kg;参数a和b分别取0.69和0.56;τ为龄期。
2.3 空气对流和外界温度
空气对流一般可作为第三类边界条件[6]。混凝土底板温度分布计算中, 混凝土与空气接触, 表面热流量正比于混凝士表面温度T和气温Ta之差, 符合第三类边界条件:
式中, n为表面外法线方向;λ为导热系数;β为表面放热系数。在混凝土施工及养护过程中, 外界气温是随时间变化的参数。为了模拟此变化对混凝土温度分布的影响, 结合工程实际气象资料, 采用式 (5) 计算外界温度随时间的变化:
2.4 弹性模量
在混凝土浇筑早期, 采用复合指数形式模拟弹性模量随龄期的变化:
式中, E0为τ→∞时的最终弹性模量。根据混凝土等级, E0取30GPa;参数a和b分别为0.28, 0.52;龄期τ以小时为单位[3]。
3 结果分析
3.1 温度分布
图2为混凝土底板中心点温度模拟值与实测值的对比, 两者发展趋势基本一致。第4d出现最高温度, 模拟最高温度为73.8℃, 实测最高温度为75℃;之后随龄期增加温度降低。分析结果表明, 建立的有限元分析模型可以有效的模拟实际混凝土早期的温度发展。
3.2 温度应力
温度场分析中得到的节点温度作为荷载施加在结构上可以计算出温度应力[5]。图3为混凝土底板中心处上、下表面点以及内部中心点不同时刻的温度应力, 此区域混凝土底板各点均受压, 最大压应力出现在龄期12d左右的下表面处, 约10.9MPa。下表面点是应力变化幅度最大的点, 上表面点的应力较小, 发展较为平缓, 内部中心点次之。
如图4所示, 最大拉应力发生在靠近底板边缘的上表面, 位置在X、Y、Z方向尺寸分别为37.57m、7.88m、1.95m处, 值为2.34MPa, 此处是容易产生温度裂缝的区域。该位置的中心点和下表面点均产生压应力, 下表面点压应力最大, 其值为9.63MPa。
4 结语
(1) 利用ANSYS模拟混凝土底板温度分布以及温度应力是有效而可行的。
(2) 混凝土内部温度3~4d在中心点达到最大值, 可达73.8℃。
(3) 下表面以受压为主, 上表面靠近底板边缘处在第12d产生最大的拉应力, 其值为2.34MPa, 此区域混凝土容易拉裂。
参考文献
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温度应力 篇5
网络经济的飞速发展以及物流行业的快速进步使得区域之间的经济与文化的交流更加频繁。为了满足人们日益增长的交通需求，近些年来，铁路重大桥梁的施工得到了大力的发展。为了提高工程质量，将其使用价值发挥到最大化，相关研究人员对施工过程中涉及到的施工技术进行了深入的研究，尤其在对于温度应力的控制方面取得了良好的研究成果。
一、铁路特大桥梁温度应力概述
混凝土是桥梁施工的主要施工材料，混凝土需要各种砂石材料按照严格的比例结构完成配比。在完成混凝土的浇筑工作后，混凝材料可能会在空气温度与湿度的影响下出现一定的水热变化。此外，由于特大铁路桥梁属于大型施工项目，它的整体规模较大，所以混凝土浇筑层通常都很厚，水热变化也会随着混凝土的厚度发生相应的变化，导致内外出出现明显的温度差异，这也就是混凝土施工过程中存在的温度应力问题。在出现温度应力的初级阶段，温度变化对于混凝土路面的影响并不严重，但是随着时间的不断推移，在外界作用和内部温度应力的共同影响下，混凝土内部的抗拉强度将逐渐失去对温度应力的控制和阻挡能力，这时就会导致桥梁路面出现裂纹、破损等问题，给后期的工程维护和维修带来巨大的不便。
另外，通过大量的工程经验可知，在对特大桥梁工程进行后期维护的过程中，养护温度也会导致出现一定的温度应力。比如在后期维护的温度较高时，混凝土的弹性模量就会出现快速的增长，但是为了将这种增长控制在一定的范围之内，防止对工程质量造成影响，就一定要通过相关的施工措施尽量将温度调低。在这个过程中，养护温度的升高将会与控制温度的不断降低形成一种反差，这种内外温度所差生的应力也是影响混凝土施工水平的重要原因之一。可见，减小混凝土内外层的温度差异，将温度应力控制在合理大范围之内是非常必要的。
二、温度应力计算系统的使用
（一）温度应力检测装置的构成
由于混凝土层的厚度以及温度变化的不可控制性，通过人为的方式控制混凝土的温度应力是非常困难的。近些年来，随着科学技术的不断发展，人们逐渐计算机技术应用到混凝土温度应力的控制当中，生成了全新的温度应力控制系统。比如在丰台桥梁厂建造的某次桥梁工程中，就使用了20kb存储量的AT89C52，单片机以及AT29C040大容量存储器以及其它各种硬件组织设置了温度应力检测装置。在后来的施工过程中，又逐渐兴起了DSI8B20温度传感器、手持式转储机、以及更加专业的计算机温度应力检测软件。
随着计算机技术的普及应用，温度应力监测计算机软件技术的使用更加普及和普遍。这项应力检测系统主要由DS12887终端电子程序、大容量的存储程序、专业的数据处理程序以及其它各种自子程序共同组成。在进行使用的过程中，工作人员需要注意收集数据的间隔时间，为了保证结果的准确性，每一个时间点都需要重复采收5次样本，并将这5次所得出的平均值作为最终的采样值。在完成采样和计算总结之后，将这些温度数据值确切的对应到具体的时间点上，并利用AT29C040大容量存储程序进行数据收集。
（二）温度应力检测系统的应用价值
使用温度应力检测系统，施工人员可以对混凝土箱梁中各个检测位置的温度及进行持续性的检测和监控，并在此基础上生成准确的混凝土内部结构温度变化曲线图。这样一来，施工人员就可以明确当前的位置的水热变化情况，并在此基础上提出合理的温度应力控制的建议。同时所得到的温度应力数据情况也可以为今后同种类型的特大类型桥梁施工提供借鉴和指导，帮助有效的节省工程进度以及不必要的工程花费。
值得注意的是，为了保证温度应力监测系统所得到的数据的准确化，施工人员一定要在承混凝土施工层的中心平面位置全面、平均的分布测量点。同时为了确保所得到的温度就是混凝土内部真是的应力情况，施工人员在进行测量时，一定要注意将监测设备的温度误差降到最低，在日常生活中需要进行频繁的数据系统及设备的维护。在混凝土的温度达到最高值之前，需要每间隔2个小时进行一次温度检测。在最高值出现之后，混凝土的温度逐渐下降，并逐渐趋于稳定，这时需要每间隔4小时进行一次温度值的检测。检测时间通常需要持续5-7天，在这之后可以将适当的降低监测频率。
三、混凝土温度应力监控的施工要求
为了将温度应力所产生的不良影响降到最低，除了要准确的使用温度监测系统之外，还要相应的提高施工人员的工作能力和水平。
首先，在进行混凝土材料选购和配比调节的过程中，施工人员应该充分明确桥梁施工的目的和意义，并准确的预测桥梁的承受能力，适当的调节各种材料的比例结构。为了确保材料配比的合理性，需要进行严格的材料质量检测工作，尤其要注意控制混凝材料的含水量。
其次，在接下来的混凝土建筑环节，施工人员需要对混凝土浇筑地点的其它材料，比如钢筋构架、预埋件等进行细致的检查，这样可以将后期维护中出现问题的可能性降低，节省开销。
施工单位应该定期组织施工人员参加施工技术培训活动。提高施工人员浇筑混凝土的能力以及使用全新的温度监测技术的能力。同时，为了有效的规范施工人员的工作行为，施工单位应该制定严格的施工技术规范，并对施工人员的施工行为进行全面的监督。比如，在施工过程中，需要严格按照工程设计的要求，并遵从相应的厚度、方向等顺序进行混凝土的浇筑，浇筑过程应该尽量保持连续，否则浇筑层内的温度差异情况将有可能加剧，导致混凝土层内部出现更加严重的温度应力问题。另外在进行施工的过程中，施工人员需要及时的清理混凝土浇筑面及附近的杂物和积水，避免对施工质量造成影响。
最后，为了将混凝土中的温度应力降到最低，施工单位应该不断引进全新的施工技术，尽量加大在这一方面的成本花费。除了引进先进的技术之外，还要注意吸纳更多的专业人才。现如今，随着智能化技术的不断发展，工程软件中的科技含量也在逐渐提高。比如智能化数字传感器技术以及各种先进的数据技术等都已经在土木工程的施工中发挥出了巨大的作用和价值。
结语
综上所述，铁路特大桥梁的施工量近年来逐渐增加，对于混凝土温度应力的控制与调节是保证工程质量和桥梁使用安全的关键性技术之一。为此，相关工作人员一定要提高相应的温度应力监测技能，并严格按照工程规范进行施工，将温度应力所引发的桥梁使用风险降到最低。
温度应力 篇6
【关键词】大跨预应力；混凝土结构；温度裂缝；控制措施
混凝土裂缝对混凝土结构本身的质量有着重要影响，尤其是在大跨预应力混凝土结构中。影响混凝土裂缝产生的原因很多，如荷载裂缝、收缩裂缝、温度裂缝等，这些裂缝在混凝土结构施工与使用过程中产生，直接决定着混凝土结构构件的使用寿命。为此，在混凝土结构施工中，为了保障混凝土结构质量，防止其性能受到裂缝的影响而降低，就必须采取相应措施，做好混凝土施工裂缝的控制。下面就大垮预应力混凝土结构温度裂缝的产生原因、控制方法作详细论述。
1、混凝土结构裂缝的种类及原因分析
在国内现有的混凝土工程中，混凝土结构产生裂缝的原因很多，而裂缝形成之后的表现形式也很多。按照混凝土裂缝原因进行分类，可以将混凝土结构裂缝分为以下几大类：
1.1荷载引起的裂缝
在混凝土结构工程施工中，如果混凝土构件所受到的外部拉应力的要明显大于构件本身的极限拉伸力，或者当混凝土结构构件所受到的主应力大于混凝土结构的抗拉强度时，混凝土结构构件的表面就很容易产生裂缝。通常我们称这种裂缝形式为荷载裂缝。
1.2混凝土收缩引起的裂缝
混凝土收缩裂缝主要出现于混凝土的浇筑过程，详细原因是因为在混凝土浇筑后的硬化过程中，混凝土构件往往会因为表面失水而引起混凝土构件体积的变化，也就是收缩变形。如果混凝土的收缩变形遭遇到约束，就会产生具有一定强度的拉应力来抵抗变形约束力，当混凝土结构内部所产生的拉应力强度大于混凝土本身的抗拉强度时，就会有裂缝产生，这也就是我们所说的混凝土收缩裂缝。根据混凝土收缩裂缝的产生原因，可分析推测出混凝土收缩裂缝的控制方法，即严格控制好混凝土浇筑工艺，控制好混凝土的配合比，适当降低用水量，并加强混凝土浇筑完成后的成品养护。
1.3温度引起的裂缝
温度裂缝在混凝土总裂缝现象中所占据的比例相对较大，区别于前两种荷载裂缝与收缩裂缝，温度裂缝的产生主要由温度加以控制。在混凝土施工拌制工艺中，水泥材料在搅拌与浇筑过程中会产生大量的水化热，导致混凝土结构内部温度不断上升，进而在混凝土表面引起拉应力；而紧接着又需要对混凝土进行降温处理，又导致混凝土内部也形成了一个拉应力，当混凝土结构构件在硬化过程中所形成的拉应力强度大于混凝土结构本身抗拉强度时，就会产生混凝土裂缝。这便是温度裂缝的产生缘由。
2、大跨预应力混凝土结构温度裂缝的控制措施分析
温度裂缝是混凝土裂缝形式中最为常见的一种，尤其是在大跨预应力混凝土结构中，混凝土温度裂缝更是常见。实际工程中，大跨预应力混凝土结构温度裂缝对质量的影响是极其严重的，不仅会降低建筑工程的美观性，还会缩短建筑物的使用寿命，威胁建筑居住者的生命安全。因此强调在混凝土结构工程施工中，一定要做好混凝土温度裂缝的控制。下面就大跨预应力混凝土结构温度裂缝的控制措施作详细分析。
2.1设置伸缩缝
设置伸缩缝的目的在于：通过减小混凝土结构长度、减小温度应力、收缩应力对混凝土结构的影响的方式，来降低温度混凝土产生温度裂缝的可能性。
2.2预留后浇带
混凝土结构工程施工中，如果建筑结构要求不允许在实际施工中设置相关的伸缩缝，可选择采用预留后浇带的施工方式来解决大跨预应力混凝土结构构件的裂缝问题，达到保障大跨预应力混凝土构件施工质量的目的。所谓后浇带，实际是指在混凝土施工期间预先保留下来的临时变形缝，当混凝土施工完成之后，采用高强混凝土材料对该变形缝加以补齐，变形缝就会消失。
混凝土收缩主要发生在早期，所以可设置后浇带，等混凝土达到一定强度后再浇筑。设置后浇带是为了保留施工缝期间，让结构变形充分发生，这样可避免设置永久性变形缝，使大跨预应力混凝土结构保持整体性，提高了结构的整体刚度，避免了采用变形缝而带来的不利因素。
通常将后浇带设置在内力较小处，一般从梁、板的1/3跨中部位或柱跨中1/3区间通过，每隔30～40m设一处，留置宽度不宜小于1000mm，也不宜过大，上部结构以800mm为宜。后浇带要上下对齐贯通整个结构，遇到梁、板、墙均需断开。后浇带部位的钢筋既可断开，也可连续，但连续时可避免同一截面钢筋搭接接头超限，所以后浇带部位的钢筋连续是最好的。
2.3补偿收缩
除了上面两种方法，还可用UEA补偿收缩混凝土来防止收缩裂缝的发生。后浇带通常要40～60d后才能填缝，并且在浇筑后浇带前要进行清洗、凿毛处理，还要对后浇带处的结构受力钢筋进行断开或弯曲一段等工序。可见采用后浇带会存在施工麻烦，延长工期等问题，并且会留下渗、漏水的隐患。相比之下，利用补偿收缩混凝土对于大跨预应力混凝土结构进行“无缝设计”。（“无缝设计”是指在结构区段长度超过规范规定的范围时，可通过在混凝土中掺入一定比例的微膨胀剂，形成补偿收缩混凝土，它膨胀时可抵消一部分由于收缩产生的拉应力，故不需伸缩缝和后浇的施工处理方法），这样会大大缩短工期，降低施工难度，并且还能有效保证施工质量，目前在高层建筑的底板和刚性防水屋面均有大量采用。
2.4在楼盖板内同时采用预应力
对大跨连续结构施加预应力时，若只在大梁中施加预应力，而梁、板存在较大的刚度差，在梁预应力张拉时，会导致梁轴向压缩，同时又受到板的约束，这样便会在梁和板内产生拉应力，刚度较小的板就容易产生裂缝。所以最好在梁板中同时施加预应力，使它们同时受到压缩变形，产生裂缝的可能性便会降低。梁板内同时施加预应力可提高大跨梁板的刚度，还可在楼盖内建立预压应力，抵消一部分混凝土的收缩变形产生的拉应力。
3、结束语
综上所述，混凝土温度裂缝对混凝土结构构件质量的影响是十分严重的，在混凝土浇筑施工中，如果所采取的施工控制措施不当，就很可能引发裂缝。为此，在实施大跨预应力混凝土施工时，务必要采取相应措施，严格控制好混凝土施工工艺，做好混凝土构件的施工管理控制，重视混凝土的养护工作，切实保障混凝土结构构件的施工质量。
参考文献
[1]余文涛.预应力混凝土连续刚构桥墩顶箱梁非荷载裂缝分析与控制[D].武汉理工大学，2010
[2]陳保国，丁锐，郑俊杰，张世飙.预应力混凝土箱梁温度场及温度应力现场测试研究[J].华中科技大学学报（城市科学版），2007（04）
超长楼盖温度应力分析及应用 篇7
常州富都商贸中心二期工程酒店公寓共23层, 高87.6 m, 各层楼盖长100 m, 宽21.1米, 属于超长结构, 不设永久伸缩缝。
根据《混凝土结构设计规范》 (GB500102002) 第9.1.1.条的规定, 一般钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距为:现浇框架结构室内或土中为55 m, 露天为35 m, 本工程纵向最长达100 m, 已超过此规定;但根据第9.1.3条规定, 采用预留后浇带或混凝土中施加预应力的措施可增大伸缩缝间距。由于沿结构长方向预留后浇带以及在混凝土中施加预应力的方法, 可以达到不设伸缩缝, 方便施工和使用的目的, 故本工程采用了此法。
2 计算温差的确定[1,2,4]
混凝土的收缩和温差变化都会使结构在平面内产生不可忽视的变形, 因此在分析结构的温度应力时不但要考虑温差的影响, 还要考虑混凝土收缩的影响。通常的做法是将混凝土收缩换算成等效温差, 与结构的温度变化叠加得到计算温差, 然后按计算温差对结构进行温度应力分析。
2.1 混凝土收缩等效温差
影响混凝土收缩量的因素很多, 如水泥种类、水泥标号、水泥细度、骨料的物理性质、水灰比、养护条件、外加剂性质等。根据文献[1], 在标准状态下混凝土的最终收缩量 (极限收缩) 为εundefined (∞) =3.24×10-4, 一般情况下混凝土的极限应变可达 (3～6) ×10-4, 泵送混凝土的收缩变形约为 (6～8) ×10-4。
混凝土的收缩是一种随时间而增长的变形, 结硬初期发展较快, 两周内可完成全部收缩的1/4, 一个月约可完成1/2, 两个月完成60%～80%, 以后增长缓慢, 一般两年后趋于稳定。
本工程楼盖在长方向设置二道后浇带, 后浇带间距为35米。在后浇带未浇筑之前, 超长板可视为一接近自由变形的构件。因此, 设计规定后浇带应在两个月以后浇筑, 此时混凝土的收缩变形已完成60%～80%, 只有一小部分残余应变会在结构中产生拉应力。同时考虑到混凝土的徐变特性, 徐变总是利用变形使构件中所受的力朝着数值较小的方向发展, 有利于结构的内力重分布。在本工程中, 可以认为, 采取了设置后浇带的措施后, 混凝土的收缩应力变得很小, 对结构的影响也变得很小, 在分析中应主要考虑结构温度变化引起的温度应力。
2.2 结构温度变化
对于混凝土构件来说, 存在升温和降温两种情况。在升温过程中, 混凝土受热膨胀, 由于受到约束作用, 构件中会产生压应力;在降温过程中, 混凝土遇冷收缩, 在构件中会产生拉应力。由于混凝土的抗压强度远大于抗拉强度, 因此只有降温过程中在构件中产生的拉应力才会使混凝土开裂。
分析时主要考虑的是结构的季节温差, 即后浇带混凝土浇筑时到温度最低点时结构的温差。由于在工程设计时, 无法准确确定工程进度, 且围护结构的保温特性和空调等因素对结构的季节温差也有一定的影响, 因此, 要准确确定构件的季节温差是比较困难的。在设计中一般采用估算, 基本上可以满足计算精度的要求。本工程参考以往常州地区类似工程设计经验, 并考虑混凝土徐变效应的影响, 取季节温差-25℃。
3 数值仿真分析[3,4]
为了定量分析楼板中的温度应力有多大, 本工程用ANSYS分析其温度应力, 计算模型 (模型1) 取第二层至第二十三层。柱和剪力墙全部为固结, 梁、柱采用beam189单元, 板、剪力墙采用shell63单元, 温度荷载为-25 ℃。
3.1 整体变形图
图1为模型在整体降温25 ℃后的变形图。从图1中可以看出, 二、三层楼板的相对层间位移最大, 这是由于二、三层楼板受到柱、剪力墙的约束较大, 三层以上各层受到的约束较小。
3.2 楼板应力分布
图2为二层楼板x方向 (长方向) 的应力图。楼板x方向大部分的拉应力集中在4 MPa～6 MPa, 应力分布表现为两端小, 中间大, 特别是在剪力墙附近, 由于板在此处的变形几乎完全得不到释放, 因此应力最大;其次, 在剪力墙拐角处, 由于应力集中的原因, 拉应力也比较大;两端由于约束小, 变形比较充分, 压力较小。
图3为二层楼板y方向 (短方向) 的应力图。楼板y方向大部分的拉应力集中在2 MPa～4 MPa, 其分布规律与x方向相同。
观察各层的应力分布可以发现, 各层x、y方向应力分布规律基本相同, 但是数值上有较大差异。3层x方向拉应力大部分在2.5MPa左右, y方向拉应力大部分在1MPa以下;4层x方向拉应力大部分在1MPa以下, y方向拉应力大部分在0.5MPa以下;4层以上x方向拉应力大部分在0.5MPa以下, y方向拉应力大部分在0.1MPa以下。
由结构的整体变形图已经了解到二、三层楼板受到的约束是最大的, 而三层以上楼板受到的约束较小, 反映到应力分布上就表现为二、三层楼板的拉应力较大, 而三层以上楼板的拉应力已经很小。
对于一个二十三层的结构, 其建模工作是相当繁琐的, 且容易出错, 计算所需时间也很长。但是由于上部建筑楼板受到约束小, 应力很小, 所得到的结果在预应力配筋时基本没有意义。因此为了减少建模的工作量, 在不影响分析结果的前提下, 我们建立一个二～四层的模型 (模型2) 。图4为模型2计算得到的二层x方向的应力图, 与图2比较, 应力相差很小且分布规律基本相同。进一步对比模型1、2的计算结果可以发现, 简化后模型2完全可以代替模型1的计算结果。
4 预应力筋估算方法[5]
根据《混凝土结构设计规范》 (GB50010-2002) , 当裂缝控制等级为二级时, 在荷载效应的标准组合下应满足下式要求:
σck-σpc≤ftk (1)
式1中, σpc为混凝土的预应力值, ftk为混凝土抗压强度标准值, σck为温度荷载作用下混凝土板中总的轴向拉应力, 即有限元分析时得到的最大拉应力。由此即可求得预应力筋需要建立的混凝土压应力, 进一步求得每米需要配置的预应力筋根数。
5 关于施工优化设计的两点讨论
5.1 超长预应力筋摩擦损失的解决
板中抗温度预应力筋大多为直线布置, 预应力筋与弯曲孔道之间的摩擦效应可以忽略不计, 但是由于预应力筋大多很长, 由孔道局部偏摆是预应力筋刮碰孔道引起的预应力损失较大。100米直线布置的预应力筋若一端张拉, 其摩擦损失将达到30%, 显然在施工优化设计时应采取合理措施降低预应力损失。
通常的做法是对预应力筋分段张拉, 具体做法大体有三种:
(1) 在一定长度内, 留设后浇带, 将楼板分段, 以满足预应力张拉的工艺要求。一般两端张拉控制在50 m～60 m, 一端张拉控制在25 m～35 m。张拉过程中, 先完成两端张拉区段的张拉工作。在后浇带处, 通过连接器将不同区段的预应力筋连接在一起。待后浇带混凝土浇筑且达到张拉强度后, 再完成未张拉预应力筋的张拉工作。
(2) 方法2预应力筋分段与方法1相同, 但是在后浇带处不通过连接器连接, 而是通过一根短预应力筋搭接。张拉过程中, 先张拉各段预应力筋, 待后浇带混凝土浇筑并达到张拉强度后, 再张拉搭接筋。
(3) 方法3见图5。与前两种方法预应力筋在后浇带处断开不同, 此法板中预应力筋在后浇带附近梁后板面上留槽张拉, 连接的方式为交错搭接。此时, 未穿过后浇带的预应力筋可先张拉, 而穿过后浇带混凝土的预应力筋待后浇带混凝土达到张拉强度后张拉。
以上三种方法中, 方法1和方法2在后浇带浇注前即可张拉, 有利于防止后浇带之间混凝土板产生收缩裂缝, 但是这两种方法施工麻烦, 需要进行多次张拉。本工程采用第三种方法, 既可省去连接器或搭接筋, 又减少了张拉工作量。
5.2 预应力筋在洞口处的布置方法
当预应力筋遇到孔洞无法穿过时, 若全部在洞口处截断, 则必然会在预应力筋截断处产生应力突变, 从而在与预应力筋垂直方向产生裂缝。为了防止此类裂缝的产生, 本工程采用了如下构造措施:
(1) 板中预应力筋被洞口阻断时, 预应力筋应尽可能在洞口两侧绕过洞口铺设。此时, 预应力筋至洞口的距离不宜小于150 mm, 水平偏移的曲率半径不宜小于6.5 m。
(2) 当遇到较大的洞口, 预应力筋无法全部绕过时, 应将预应力筋在洞口处截断, 截断的方式见图6。
6 小结
无粘结预应力技术解决超长结构的温度应力问题已经得到了比较广泛的运用, 本文结合工程实践取得了几点经验, 可供类似工程参考。
(1) 为了减少超长混凝土板中混凝土的收缩应力, 合理的设置后浇带是一种有效的办法。
(2) 由于影响因素很多, 精确计算构件的季节温差有一定难度, 在设计中一般根据经验确定季节温差, 基本上可以满足计算精度的要求。若要获得温差的准确值, 需要进行现场测试。
(3) 对于层数较多的结构, 精确的有限元建模不但工作量大, 计算所需时间长, 而且对最终结果影响很小。对此类结构进行温度应力分析时, 建立包括三层楼板的模型已经可以得到满意的结果。
(4) 在施工优化设计中, 分段张拉的预应力筋如何连接、洞口处预应力筋如何布置是经常遇到的问题, 本工程所采用的方法在实践中被证明是行之有效的。
参考文献
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[2]翟燕翔, 钱英欣.预应力抵抗超长温度应力的应用[J].北京:建筑技术开发.2004年第31卷第7期.33-34.
[3]冯健, 吕志涛等.超长混凝土结构的研究与应用[J].北京:建筑结构学报.2001年第22卷第6期.15-16.
[4]韩重庆, 孟少平.大面积混凝土梁板结构温度应力问题的探讨.北京:建筑技术[J].2000年第31卷第12期.820-821.
连续刚构桥温度应力分析 篇8
(一) 有限元模型建立
采用MIDAS/CIVIL有限元软件对该桥温度效应进行模拟, 计算出各截面的应力值与弯矩大小, 为施工设计提供依据。
参考原设计图纸的荷载标准温度作用, 计算时用到以下温度梯度计算模式:
计算模型如图1, 全桥离散成239个节点, 224个单元, 模型边界条件为桥头现浇段设置活动铰支座, 固定其Y和Z方向位移, 墩顶与箱梁连接为固结。固定所有方向位移, 桥墩与地基为估计。模型为三维梁单元模型。
(二) 有限元数值模拟分析结果
上部结构设计计算采用的相关参数:设计计算合龙温度为18±5℃、整体升降温+25℃, -25℃、温度梯度+14℃/-5.5℃、支座不均匀沉降 (主桥部分) 3cm。在这些参数下得出全桥在温度影响的应力曲线, 具体结果见图2—图3:
二、施工控制要点
有关桥梁的施工工艺及其质量检验标准, 均按《公路桥涵施工技术规范》JTG/TF20-2011中的规定执行。同时在施工过程中还要注意一下要点:
0、1号块体积较大, 要求采低收缩、低水化热混凝土, 优化配合比, 降低水泥用量, 可考虑掺加Ⅰ级粉煤灰或矿粉。0、1号块箱梁混凝土掺加聚丙烯纤维时注意将纤维搅拌均匀。0、1号块箱梁混凝土教主时可分层惊醒, 但第一次浇筑时应浇至腹板高度至少2.5m以上。其余梁端应一次浇筑完成。分层浇筑时, 浇筑龄期不宜大于6天, 以避免新旧混凝土的收缩差导致混凝土开裂;此外应注意混凝土的养护, 控制拆模时间, 0、1号块箱梁混凝土要加强养生, 保湿养护持续14天。0号块与墩顶段龄期差不超过30天。
箱梁顶、底板影子啊浇筑过程中采取可靠措施, 施工中硬币采取有效措施保证主梁混凝土的如入模温度以及养生温度。主梁浇筑完毕后, 主梁桥面板平整度≤±7mm, 并严禁呗油污、浮浆污染, 在达到设计强度50%之前严禁踩踏。主梁顶面应进行拉毛处理, 以保证与桥面铺装的结合质量。各梁段间的施工缝应遭毛并冲洗干净, 确保新老混凝土的结合强度, 并应注意混凝土的养生。
摘要：本文主要介绍连续刚构桥梁的基本特点, 以及在温度荷载作用下的影响和在施工过程中需要注意的事项。采用通用软件MIDAS/CIVIL对实际桥梁进行温度效应仿真分析。
关键词：连续刚构,温度效应,施工控制要点
参考文献
[1]项海帆, 姚玲森.高等桥梁结构理论.北京:人民交通出版社, 2001.
[2]杜国华, 毛昌时, 司徒妙龄.桥梁结构分析.上海:同济大学出版社, 1994.
[3]龙驭球, 包世华.结构力学:高等教育出版社:2012年
温度应力 篇9
桥墩是桥梁结构最主要的受力构件, 是一种大型混凝土构件。置于自然环境中的大型桥墩, 长期经受自然界气温的变化等剧烈作用。由于混凝土的热传导性能差, 周围环境气温等作用将使桥墩表面温度迅速上升 (降低) , 但桥墩内部温度仍处于原来状态, 在桥墩中形成较大的温度梯度, 桥墩各部分处于不同的温度状态, 根据热胀冷缩的原理, 将产生温度变形。当桥墩的内、外约束阻碍这种变形时会产生相当大的温度应力, 温度应力 (尤其是拉应力) 达到混凝土的强度极限时, 桥墩就会开裂。
图1是武汉长江大桥武昌岸十一号桥墩 (陆上) 。从图1中可以看出, 在桥墩的底部有三条裂纹, 其中①号为主裂纹, 一直延伸至地下, 并且还在向上扩张, 长度达3 m～4 m, 裂纹宽达1.5 cm, 从南北立面裂纹位置对比来看, 可能为前后贯穿裂纹, 另外, ②号, ③号裂纹也在不断生长扩张之中。这类桥墩裂纹很大程度上是由年、月温差产生的深层裂纹, 一旦失稳将以很快的速度进行扩张, 直接导致桥墩的整体性破坏。桥墩上部分布有因温度应力所引起的不规则的龟裂纹, 其分布并无规律, 但大多分布于混凝土表层, 且为竖直走向。这种裂纹很大程度上是寒潮侵袭等原因导致外表面温度突然下降, 外部的收缩强度和速度都明显高于内部, 从而在桥墩外部产生很大的拉应力所引起。
本文将采用有限元分析软件ANSYS对大型桥墩的温度场及温度应力进行数值仿真, 进而分析环境气温对桥墩温度场及温度应力的影响, 探求在温度突变情况下桥墩的开裂机理, 总结类似的大型混凝土温度场和温度应力变化的一般规律, 提出保护方案及建议。
1 用ANSYS对温度场和温度应力进行分析
1.1 几何模型及网格生成
由于桥墩自身、边界条件及荷载工况均具有对称性, 在实际计算中将桥墩的1/4作为计算模型。
用ANSYS模拟桥墩的温度场时, 采用Termel Solid8 Node70单元类型, 网格划分采用定义网格边长为0.4 m的Sweep方法 (见图2) 。
模拟温度应力时, 采用Coupled Plane13单元类型, 网格划分采用定义边长为0.2 m的Map网格 (见图3) 。
1.2 计算参数的选取
1.2.1 墩体混凝土的材料参数
弹性模量:2.5e10 Pa, 泊松比:0.167, 密度:2 400 kg/m3, 导热系数:1.6 W/ (m·℃) , 比热容:1 kJ/ (kg·℃) , 热膨系数:8e-6 ℃。
1.2.2 环境气温
环境气温见表1。
空气的对流换热系数α=8 W/ (m2·℃) , 寒潮时空气的对流换热系数α=30 W/ (m2·℃) 。
1.3 计算结果与分析
限于篇幅, 只对1月与7月进行温度场模拟 (见图4, 图5) 。由于寒潮的影响, 冬天气温往往会骤降, 此时表层混凝土的温度应力表现为拉应力, 且应力值最大。故本次研究只模拟1月末温度骤降10 ℃, 并持续1 d后, 温度应力的分布情况 (见图6) 。
由图4, 图5可以看出, 由于混凝土的导热性能很差, 故桥墩表层的温度与环境气温接近, 而内部温度则对环境气温并不敏感。当温度持续1 d降低10℃后, 由于混凝土的导热性能差, 内外温差相差很大, 导致温度应力的产生。
由图6可以看出, 桥墩表层混凝土受到的拉应力最大为2.68 MPa, 足以使表层混凝土开裂, 而内部混凝土则只受到最大为0.5 MPa的压应力。
2结论与建议
2.1环境气温对混凝土温度场的影响
由于混凝土导热性能较差, 在较短的时间内, 表层温度随环境气温变化很快, 而内部温度几乎不会发生变化, 混凝土内部将产生很大的温度梯度, 在环境气温和空气对流换热系数发生突变时表现得尤为明显。从本次模拟的情形来看, 当环境温度突降10℃, 空气对流换热系数从8 W/ (m2·℃) 突增至30 W/ (m2·℃) , 并持续1 d时, 桥墩表层0.3 m～0.7 m厚度范围内的温度变化较为剧烈。
2.2环境气温对混凝土温度应力的影响
在环境气温突降、空气对流换热系数激增的情况下, 混凝土表层将产生相当大的拉应力, 由于混凝土的抗拉强度较小, 因此这种天气状况很容易导致混凝土开裂, 若这种开裂仅存在于混凝土表面, 而且杂乱无章, 其尺寸也较小, 对结构的安全不会有大的影响, 但是若这些裂纹 (尤其是纵向裂缝) 首尾相接, 就会形成一些长度很长的裂纹, 在交变的温度应力作用下, 这些长裂纹有可能继续扩张并贯穿墩体, 而将整个桥墩劈裂成若干柱形体, 桥墩就有失稳破坏的危险。
2.3建议
1) 为了使保护层具有更好的隔热效果, 应在尽可能的情况下, 加大保护层的厚度, 并选用导热系数小的材料。
2) 为更有效的防止温度应力对桥墩的破坏, 可考虑设计时在水平面内埋置预应力钢筋, 或者外包碳纤维来进行加强。
3) 建议在气温逐渐下降的后半年对桥墩进行相应的保护措施, 如保温等, 以防止产生过大的拉应力。
摘要：采用有限元分析软件ANSYS对大型桥墩的温度场及温度应力进行数值仿真, 进而详细分析环境气温对桥墩温度场及温度应力的影响, 探求在温度突变情况下桥墩的开裂机理, 总结类似的大型混凝土温度场和温度应力变化的一般规律, 提出保护方案及建议。
关键词：桥墩,温度场,温度应力,ANSYS,裂纹
参考文献
[1]邓训.材料力学[M].武汉:武汉大学出版社, 2001.
[2]刘兴法.混凝土结构的温度应力分析[M].北京:人民交通出版社, 1991.
[3]王勖成.有限单元法基本原理和数值方法[M].北京:清华大学出版社, 1997.
温度应力 篇10
温度作用是拱坝设 计中的一 项主要荷 载。对于RCC拱坝,由于采用全断面薄层通仓碾压施工方法,坝体主要依靠天然冷却,混凝土水化热散发缓慢,而且碾压混凝土拱坝在施工时形式上已经形成封拱,因而施工期坝体的水化热温升将影响坝体的最终应力[4]。
本文利用有限元软件Ansys,结合某工程高温季节浇筑的碾压块,首先开展了施工期碾压块的温度场分析,然后对未分缝方案和不同分缝方案坝体温度应力的区别进行了研究。
1工程概况
某碾压混凝土拱坝,最大坝高132.0m,坝顶厚9.5m,坝底厚28.0m。大坝采用高掺粉煤灰3级配混凝土作为筑坝材料,全断面薄层通仓碾压,连续上升。坝体碾压层厚度为0.3 m,根据计划任务,每次碾压 不同高度,为了缩短 工期,不得不在高温季节浇 筑坝体,温度回降 将在坝体 中产生很 大的拉应 力,为了释放拉应力,在设计阶段采用了2种分缝方案,即2横和2横2诱,其中2条横缝布置在温度应力较大的1 810m以上高程,两条诱导缝布置在1 750m以上高程。横缝是完全切断的无抗拉能力的缝,而诱导缝是不完全切断坝体的具有部分抗拉能力的缝。横缝和诱导缝均采用预制混凝土模板形成,施工时先将成缝模板 安装定位,然后再进 行碾压混 凝土施工 作业,基本不影响RCC拱坝的快速施工,最后在温度稳定期进行灌浆形成完整的坝体[4]。
根据工程实际的施工进度,其中高程1 825.5~1 830.0坝体(以下统称1 830碾压块),是2001年7月下旬浇筑,入仓温度高达18.2 ℃,施工期共20d。现场的监测资料表明,施工期白天最高温度高达33 ℃,平均气温达26 ℃[5]。致使1 830碾压块产生的水化热不能及时散发,并有可能在施工期就产生较大的温度应力,因此选取1 830碾压块进行温度场和温度应力分析,并对比了2条横缝方 案和2横2诱分缝方 案的分析 结果。
2温度场仿真计算
影响坝体温度场的因素很多,例如浇筑温度、气温、过水情况及库水温度、混凝土热学性能、浇注层高及层间间歇时间、温控措施等。由于1 830碾压块在施工期没有水荷载作用,因此在数值仿真计算中,重点研究了水化热、气温、浇注温度、分缝措施和间歇时间对温度场的影响。
在坝体温度场仿真计算中,将坝体混凝土的水化放热速率转换为混凝土的生热率,作为体荷载施加到坝体上,用体载荷模拟水泥的水化热反应[6]。碾压混凝土胶凝材料用量少,并用粉煤灰代替部分水泥,因此碾压混凝土的水化热较常规混凝土少,其水化热绝热温升公式为:
式中:θ0=18 ℃为最终绝热温升;t为混凝土龄期[7]。
取图1所示的1 830碾压块为研究对象。1 830碾压块与坝肩接触面及下层结合面为绝热边界条件,上下游面及顶面与空气接触,属于有限元热分析中第3类边界条件。碾压混凝土的导热系数k为198kJ/(m·d·℃),比热c为0.934kJ/(kg ·℃),密度ρ为2 500kg/m3。混凝土浇筑温度(入仓温度)为18.3℃,环境温度取平均值26℃,碾压块上表面与空气的对流系数为1 120kJ/(m2·d·℃),上下游面由于施工立模,对流系数相应减少为620kJ/(m2·d-1·℃),诱导缝单元和横缝单元热学参数与坝体混凝土热学参数相同[8]。
最后,利用有限元分析软件Ansys中的热分析和结构分析模块,实现RCC拱坝碾压块浇筑施工过程中的温度场和温度应力的计算。
为了更有效地模拟坝体混凝土的温度场,采用Ansys软件瞬态分析模块,选用三维 温度单元SOLID 70,坝体共离 散了43 500个单元。通过1 830碾压块拱 冠梁剖面 温度场等 值线图,可以看出,坝体最高温度高达36.3 ℃,内部温度场分布极不均匀,上下游基本对称。由于底面与已浇筑的下层混凝土直接接触,无法有效散发热量导致碾压块底面混凝土中心温度最高,且向四周依次降低,顶面与空 气形成对 流,向空气释 放热量,因此顶面温度比混凝土内部要低得多。上下游面由于木模的作用,导致散热效果不及顶面,温度比顶面稍高,但坝体大部分混凝土的温度都处于30~35℃,坝体内最大温度差值超过9 ℃。在没有温控措施的条件下,间歇期结束后,此高程的封拱温度将超过30 ℃,在后期温降的工况下,将产生较大的温度应力,甚至出现温度裂缝,因此需采取相应的温控措施来降低此高程的封拱温度,封拱温度低,有利于降低坝内拉应力。
为了反映坝体混凝土的温度变化过程,分别从1 830碾压块拱冠梁底面,上游面和顶面取出3点N1、N2、N3,对其温度的变化过程进行分析,其主要规律见图2、图3。从N1节点温度变化过程曲线可 以看出,混凝土浇 筑后由于 混凝土水 化放热,温度迅速上升,在整个施工期内都保持较高的温度水平,且水化热的主要温升发 生在8d左右,水化热最 高温升高 达18 ℃,而且降温期的散热速率缓慢。这是由于此高程坝体较厚, 沿坝厚方向的内热散发较慢。N2、N3节点处于拱冠梁的表面, 与空气接触,形成对流,其温度受环境温度影响较大,在浇筑初期,由于水化热的生热率大于混凝土的散热速率,故坝体内部的温度不断上升,随着后期水化热的生热率小于混凝土的散热率,坝体温度开始降低。N2节点由于木模的作用,整个施工期的温度均比N3节点高,但两者的温度变化规律基本一致。
3温度应力仿真计算
RCC拱坝碾压层一般比较单薄,在施工过程中,受自身水化热和外界气温的影响,坝内温度变化比较大,在两岸基岩的约束下,温度变形比较大,因此在坝体内可能出现较大的温度应力,所以对于RCC拱坝,温度作用是主要设计荷载 之一,而施工期坝体的水化热温升对温度作用有着重要影响 。为了释放水化热引起的过大的温度应力,工程上常对温度应力较大高程上的坝体,设置诱导缝或横缝。
为了评价分缝效果和研究不同分缝方案对施工期坝体温度应力的影响,本文模拟分析了未分缝方案坝体的温度应力和分缝方案的温 度应力。其中取诱 导缝的等 效强度取 值为10 MPa,弹性模量 取坝体弹 模的50%,抗剪强度 参数为fp= 0.84,Cp=0.48 MPa,横缝抗剪 强度参数 为fp=0.96,Cp= 0.84 MPa[10]。
本文采用Ansys热分析中的间接法,直接将有限元分析的温度场的结果作为已知荷载,施加到应力场的分析过程中。首先将三维温度单元solid 70转换成三维结构分析单元solid 65, 然后再定义混凝土的材料的弹性模量。早期混凝土的弹性模量依赖于混凝土的龄期,根据中国电建集团成都勘测设计院提供的坝体三级配混凝土弹性模量如下:
式中:t为混凝土龄期。
最后定义两岸边界条件后,导入热分析的温度场结果,进行温度应力的计算。若计算的温度应力值大于成都勘测设计院提供的同期坝体混凝土的抗拉强度:
式中:f为混凝土抗拉强度,MPa;t为混凝土龄期[7]。 则坝体有开裂风险。
图4、图5和图6分别是3种方案的1 830高程施工期的温度拉应力场分布等值线。根据温度应力等值线图,可以在RCC拱坝碾压块浇筑施工过程中得出以下规律。
(1)随着水化热程度的逐渐加深以及与外界温度的对流散热,逐渐形成较大的温度梯度,同时在拱座边界约束的条件下, 在坝体内部,逐渐形成很明显的应力场,其中,拉应力场是关注的重点,因为早期混凝土的抗拉强度较低,若温度应力超过同期混凝土的抗拉强度,则坝体有开裂的风险。
(2)从图4可以看出,坝体不分缝,空库工况下,大拉应力值均分布在坝体表面,并且分布范围较大,坝内混凝土拉应力值大部分都低于0.8 MPa,其中上游坝面拉应力主要分布在拱冠梁周围,量值约2 MPa;下游坝面拉应力出现在左右拱端附近,量值约为2.8~3.2MPa,极值3.21MPa出现在左拱端;这些拉应力均超过了 同期混凝 土的抗拉 强度,坝体在施 工过程中,就会出现温度裂缝的风险,其中上游面的大拉应力只是集中在坝体表面,不会造成贯穿坝体的裂缝,而下游坝面左右拱端附近的大拉应力值,却深入坝体内部,有可能导致贯穿性裂缝,因此很有必要在这 些应力集 中部分分 缝或采取 其他温控 措施。
(3)在温度拉应力较大的左右拱端附近设置2条横缝后, 坝体整体拉应力水平都有所降低,尤其是左右横缝附近的拉应力值降低幅度最大,降低幅值约为50%,而坝体中部降低幅值约为20%,拱冠梁上游表面仍出现了1.8 MPa左右的拉应力, 说明横缝对释放拱端附近的拉应力效果明显,但对于距离较远的拱冠梁周边的拉应力影响不大,所以仅在 坝体设置横缝是不够的。
(4)采取2横2诱分缝方案后,坝体各部位拉应力值较仅设置横缝的方案均有所降低,特别是诱导缝周围的的坝体拉应力值降低效果明显,但2条诱导缝之间的上游坝面仍出现较大拉应力,量值约0.7~1.3 MPa。因此,在施工期要特别注意此部位的温度应力。
4结论
(1)经过仿真计算,分析了RCC拱坝典型碾压块施工期水化热温升引起的温度场和温度应力。温度场的计算结果表明, 由于在高温季节浇筑,加之间歇时间较短,导致该高程的碾压块的封拱温度较大,后期温降工况下,产生了较大的温度应力, 导致温度裂缝,因此在高温季节浇筑坝体,需采取严格温控措施来降低封拱温度。
(2)温度应力的计算成果表明,未分缝方案的情况下,甚至在施工期就产生了较大温度应力,上下游部分坝面的拉应力值超过了同期的混凝土的抗拉强度,坝体有局部开裂的风险。而采取2横和2横2诱不同分缝方案后,坝体的温度拉应力值均有所下降,但横缝方案释放坝体拉应力的效果不及2横2诱方案,因此工程中应增设诱导缝。
(3)由于早期混凝土强度低,若坝体的拉应力大于同期混凝土的抗拉强度,则坝体将出现温度裂缝,若无其他措施,表面裂缝将发展成贯穿性裂缝。
摘要：RCC拱坝由于其上升速度快、施工简单、超载能力强而得到广泛运用,但施工过程中层面散热不够,水化热温升较大,在周边基础的约束下而产生温度应力并可能导致温度裂缝,目前常采用分缝的方法释放过大的温度应力。结合某拱坝高温季节浇筑的碾压块,采用有限元方法,模拟了未分缝方案和2种分缝方案施工期的温度场及温度应力,总结了温度场的特点及变化规律,并对比分析了2种分缝方案对坝体温度应力的影响。
