（岩土工程专业论文）考虑桩土约束的大型混凝土底板早期应变监测与仿真分析.pdf

摘要 摘要 人体积混凝土由于其体积庞大，一次性混凝上浇注量大，i 程条件复杂， 因而若旖工措施控制不力，极易产生各种混凝七结构裂缝，轻右会影响混凝土 的耐久性，重者还会严重影响混凝土的力学性能。因此，对大体积混凝土裂缝 进行有效的预防，成为工程界普遍关注的课题。 本文以线性瞬态温度场及热弹性力学的有限元分析为理论基础，利用有限 元软f b t , 1 处j 二施j ：及养护期的大体积混凝土进行热结构耦合分析，并探讨 大体积混凝土底板在考虑土壤与桩约束条件下，不j 刊的尺寸与边界条件对底板 早期变形的影响。同时本文还完成了实际工程的现场监测工作，并总结出早期 大型混凝土底扳应变随尺寸和边界条件的变化规律。 本文仿真计算结果与实测结果特别吻合，表明了本文的有限冗模型可应用 于大体j ! 混凝士底板早期应变的分析，理论与实测结果可谓今后人体秋混凝土 底板工程的设计与施工提供参考。 关键词大体税混凝士底板，十壤约束，后浇带，边界条件 a b s t r a c t m a s sc o n c r e t ei se a s yt oc r a c ki fc o n s t r u c t e di m p r o p e r l y , b e c a u s eo fi t sh u g e v o l u m ea n dc o m p l i c a t e dc o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n a n dt h ec r a c k l i n g sw i l le i t h e ra f f e c t t h ed u r a b i l i t yo f t h ec o n c r e t es t r u c t u r e ，o re v e ni n f i u e n c et h em e c h a n i c sp e r f o r m a n c e o ft h ec o n c r e t e s oa v o i d i n gt h em a s sc o n c r c t ef r o mc r a c k i n gh a sd r a w nt h ea t t e n t i o n o f t h ee n g i n e e r i n gf i e l do f t h ew h o l ew o r l d b a s e do nt h ea n a l y z e dr e s u l t s s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa l eg i v e n a r e f e r e n c ef o ro t h e rs i m i l a rp r o j e e l s ，b a s e do nt h et h e o r y o fl i n e a rt r a n s i e n t t e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e r m o - e l a s t i cm e c h a n i c s ，t h e t h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n g a n a l y s i so fm a s sc o n c r e t ei nt h ep r o c e s so fc o n s t r u c t i o na n dm a i n t e n a n c ei s d o n e 、v i t ht h es o f t w a r ei nt h i sp a p e r 1 1 撑e f f e c t so fe a r l ya g ei n a s $ c o n c r e t es l a b d e f o r m a t i o nc a u s e db yd i f f e r e n tc d g ec o n d i t i o n s ，r e s t r a i n e db yp i l ef o u n d a t i o n , a r c a n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，o n - s i t em e a s u r e m e n t so f a c t u a lp r o j e c tw a s c a r r i e do u tt o m a k eas u m m a r ya b o u tt h el a w so fc o n c r e t ed e f o r m a t i o na st h es i z e sa n de d g e c o n d i t i o n s ，b a s e do nt h ea n a l y z e dr e s u l t s ，s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r eg i v e na sa r e f e r e n c ef o ro t h e rs i m i l a rp r o j e c t s g o o dc o r r e l a t i o ns h o w st h a tt h i sp r o g r a mc a l lb eu s e dt os i m u l a t et h ee a r l ya g e b e h a v i o ro fm a s sc o n c r e t es t r u c t u r e s t h er e s u l tf r o me m u l a t i o na n do n - s i t e m e a s u r e m e n t sc a nb e u s e df o rd e s i g no rc o n s t r u c t i o n k e yw o r d s ：n l a s sc o n c r e t e ，g r o u n dr e s t r i c t i o n , l a t e r j o i n t f i l l e ds l o t ， e d g ec o n d i t i o n 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文“考虑桩十约束的大型混凝土 底板早期应变监测与仿真分析”，是本人在导师指导下，独市进行研 究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，奉学位论文的 研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公丌发表的作 品的内容。对本论文所涉及的研究 二作做出贡献的其他个人和集体， 均已在文巾以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本 人承担。 签名：扬物 谢年弓月沙日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的e i 珥j j 本和电子版，并采用影印、缩印、 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幢高层建筑塔楼设计 第1 章引言 建造于i - j 一大底盘桩筏基础上，塔楼高度从十二层n - - 十四层不等，大面积地 下室平面尺寸为2 2 2 6 2 8 5 6 m 2 ，建筑面积约为四万九千平方米，施工中不设 沉降缝，初步查询为全国类似工程之最。工程大面积地下室底板超长超宽，在 早期的施工过程和养护过程中存在很大的异常裂缝变形产生的可能。可能导致 产生裂缝的因素有： 1 ) 上部不同高度的塔楼对底板的差异沉陷产生的变形影响； 2 ) 设置后浇带施工中和施工后对大面积底板的内力和变形影响； 3 ) 大体积混凝土水化热和混凝土收缩变形影响。 图1 1 陆家嘴中央公寓建筑效果图 如何衡量这些因素对大面积底板的早期变形的影响是工程的难点问题。因 此有必要对本工程地下室底板和顶板无缝施工过程进行的详细监测和数据分 析。得出各种影响因素对大面积超长超宽的地下室底板的内力和变形的影响规 律，为类似的工程提供设计参考。 2 第1 章引言 1 2 混凝土早期变形产生的机理 1 2 1 概况 混凝土早期变形的发生往往是遵照作用和效应的关系法则，现浇混凝土结 构早期受到的直接作用主要为施工荷载。跟早期变形产生有关的问接作用，可 以归纳为温度作用( 热胀冷缩) ，湿度作用( 干缩与湿胀) 、施工临时支撑结 构变形、地基变形等i “。 混凝土变形的产生，一般不是直接作用( 结构荷载、施工荷载) 的结果， 大部分归结为温度变形和收缩变形等间接作有的效应。本文主要讨论温度、湿 度等自j 接作用产生的加载效应对混凝土早期应力和变形的影响。 1 2 2 温度作用 现浇混凝土构件置于现场环境中，除混凝土水化发展的水化热外，还要受 到环境温度的影响。环境温度的来源主要是太阳的辐射、或施工后加热养护等。 1 ) 水化热 水泥在水化过程中会产生水化热，如果一次浇筑的混凝土的体积量大，产 生的大量水化热散不出去，表面和内部升温、降温速度不同，从而会产生甚至 贯穿裂缝。大体积混凝土温度变形问题尤为突出。 2 ) 环境温度 现浇混凝土结构与其它混凝土结构形式不同的是，产品会经历季节变化、 昼夜温度、湿度变化等的影响。譬如，在上海地区昼夜温差可达1 5 c 左右，而 且春秋季节的湿度比夏天梅雨季节低很多。这样的变化会导致现浇混凝土结构 材料强度发展的不均衡性。 1 2 3 收缩作用 一般地，混凝土收缩变形包括塑性收缩( p l a s t i cs h r i n k a g e ，c h e m i c a l s h r i n k a g e ) 、自干燥收缩( s e l f - d e n s i f i c a t i o ns h r i n k a g e ) 或自身收缩( a u t o g e n e r o u s s h r i n k a g e ) 、干燥收缩( d r y i n gs h r i n k a g e ) ，温度收缩( t h e r m a ls h r i n k a g e ) 和 碳化收缩( c a r b o n i z e ds h r i n k a g e ) 五种主要形式。【3 “l l ，塑性收缩 混凝土的塑性收缩发生在塑性阶段，由水泥水化反应决定，也有研究者称 之为化学收缩。虽然体积变化量很大，但由于泥凝土尚未硬化，一般认为，在 第1 章引言 施工作业振捣充分时不会影响后期质量。 2 1 自十燥收缩 发生在水泥硬化过程( 早前期阶段) ，源于混凝士内部尚未完全水化的水 泥的颗粒的继续反应消耗自由水，不与环境介质接触，因此也称为自身收缩。 3 1 十燥收缩 由于水分的散穴而导致的十燥收缩最为常见，发生在早期阶段，是造成收 缩裂缝的主要原因。水分散失即包括大气蒸发，也包括地基土壤的吸收。 4 ) 温度收缩 温度收缩主要是在混凝土初凝之后，水泥水化热的释出量逐渐减少，导致 稍后阶段与外界发生热交换后混凝土中的温度降低产生的。此外，随外界温度 变化的胀缩也是一个主要因素。 5 1 碳化收缩 碳化收缩主要是指表层混凝土由于同空气中的c 0 2 发生作用而引起的收 缩。一般发生于年代较长、暴露于潮湿环境中的混凝土。 就混凝土早期收缩变形问题而言，国内的研究文献有限，大多借鉴国外规 范的经验公式和理论。由于收缩机理的复杂性，该领域还存在着大量的问题有 待于迸一步探讨和研究。 1 3 大体积混凝土的定义和特点 1 3 1 大体积混凝土的定义 对大体积混凝土的定义，各国的规定不尽相i _ j ，如： 1 ) 日本建筑学会标准j a s s a 规定：结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上，水 化热引起的混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过2 5 的混 凝土，称为大体积混凝土。 2 ) 美国混凝土协会a c i 对大体积混凝土的定义为：体积大到必须对水泥 的水化热及其带来的相应体积变化采取措施，才能尽量减少开裂的一 类混凝土。 3 ) 前苏联规范中定义：当混凝土在施工期间被分成若十独立的混凝土构 件时，要确定单独构件在水化热作用下的温度问题的混凝土。 此外，德国规范d i n l 0 4 5 、英国b s 8 8 2 、我国行业标准y r j 2 2 4 9 1 中虽然 4 第l 章引言 没有对大体积混凝土做出明确的定义，但对于大体积混凝土结构设计与施工， 均做出了较为明确的规定。由此可见，大体积混凝土是一个相对概念。坝体和 厚壁构件( 壁厚1 5 2 o m 以上) 可以称为大体积混凝土，但是，厚度2 0 0 3 0 0 m m 的水池壁、5 0 0 - - - 6 0 0 t n i n 的侧墙、1 0 0 0 m m 的筏板等，虽然较薄，却不i 司于一般 建筑物中的杆系构件，也要求采取一定的措施来控制、处理温差、沉降、十缩 等变化以控制裂缝的出现和发展，因此从各国的规范的定义来看，也应该认为 是大体积混。 综上所述，本文中的“大体积混凝土”指：构件及结构的规格尺寸，要求 必须采取相应的措施，妥善处理温差、沉降、十缩等的变化，正确合理地减少 或消除变形变化所引起的内应力，且必须把裂缝开展控制到最小程度的现浇混 凝土；在工业与民用建筑中，一般现浇的连续墙式结构、地下构筑物及设备基 础等是容易由温度收缩应力引起开裂的结构，可以将其通称为“大体积混凝土 结构”。建筑工程中的大型混凝土底扳，由于其一次浇注的混凝土量、尺寸、 水化放热量等因素的影响，使其具备“大体积混凝士”的基本特点，并且在设 计与施工中同样存在温差、沉降、十缩等问题。 1 3 2 大体积混凝土底板的基本特点 大体积混凝土底板由于其庞大的尺寸与一次浇注的混凝土量，在实际工程 中存在以下基本特点： 1 ) 工程条件复杂。大体积混凝土底板体积庞大、混凝土用量大，由此导 致工程条件复杂多样。 2 ) 对裂缝的控制要求高。大体积混凝土底板多用于基础，对构件的要求 除了一般的强度，刚度、稳定性等之外。还有整体性、防水性、抗渗 性等诸多要求。所以在大体积混凝土底板质量控制中，混凝土裂缝的 控苇4 成为问题的关键。 3 ) 大体积混凝土尺寸厚大，水泥水化热散发困难，使得混凝上浇筑后温 度升高幅度大( 最高可达8 0 。c 以上) ，出现可观的膨胀量；到了后期 降温阶段，又会出现相应的可观的温度收缩。大体积混凝土底板中配 筋量一般相对又较小，容易在后期降温阶段，因为温度收缩过大过快 而使混凝土中出现严重的贯穿性裂缝，严重影响大体积混凝土的整体 性、抗渗能力等。 第l 章引言 因此，在某种程度上，对大体积混凝土底板质量的控制就是对混凝土温度 裂缝的控制。 1 4 大体积混凝土底板早期变形研究的必要性 随着大规模经济建设的开展，工业建筑中的大体积设备基础，绝大部分水 利工程，高层建筑的基础和桩基承台等重要的、承受荷载大的结构，都是采用 大体积混凝土建造。 大体积混凝土底板由于其特殊的尺寸，使其更容易出现较大的应变甚至裂 缝。此外不恰当的边界约束条件，不充分的养护、不合理的配合比都会加大变 形的产生，直接影响结构的整体性能及正常使用。 大体积混凝土底板通常承受两种不同性质的荷载： 1 ) 结构荷载，包括结构自重、水压、土压等。 2 ) 混凝土的变形荷载，包括温度、徐变、混凝土自身体积变形等。 如果结构不受任何约束，能够自由膨胀或收缩，温度变化时就不产生应力， 即为自由温度变形，另外结构的温度场均匀变化或呈线性变化，并且不与处于 另一力学变形、温度变化的物体相联系，也不会产生应力。因实际工程部难以 满足上述两种条件，故一股的混凝土结构由于温度变化都将产生温度应力。实 践证明温度应力是不可忽略的因素，否则将带来严重的不良后果。 温度变化对混凝土地下结构的影响主要有： 1 ) 引起结构内力的变化： 2 ) 导致混凝土裂缝； 3 ) 对结构的应力状态引起应力重分布，不能按照设计时确定的应力状态 发展 温度变化引起的应力甚至超过其它荷载应力，尤其是在结构温度急剧变化 时，将产生很大的拉应力，而混凝土为脆性材料，其抗拉强度非常低，常因温 度应力导致混凝土底板受拉而破坏。 在大体积混凝土底板浇注的早期，混凝土伴随水泥永化过程的进行，混凝 土微观结构逐步形成，内部温度分布在随龄期发生变化，从而引起温度变形， 收缩变形和徐交等一系列应变，早期裂缝的生成和发展规律则是这些体积变形 的结果。由于大体积混凝土底板一次浇注的混凝土量与其庞大的尺寸，在早期 6 第l 章引言 混凝土水化热效应更加突出，由于其温度场分布的复杂性和变化的急剧性产生 的问题更加复杂，从而早期大体积混凝土底板的温度变形成为大体积混凝土底 板理论研究中的重点和难点。 实际工程中，大量的大体积混凝土底板都受到裂缝问题的困扰。无论是工 程设计单位还是施工单位，对于该问题往往束手无策，只是通过经验判断的方 法进行裂缝控制，然而结果收效甚微。因此对大体积混凝土早期变形进行现场 监测、收集数据，归纳出混凝土变形发展规律，并通过理论分析建立相应的计 算模型，实现对大体积混凝土结构温度应力场的定量分析，对于工程温度变形 问题有羞极其重要的意义。 1 5 国内外的研究现状 大体积混凝土温度变形问题十分复杂，它涉及到和工程结构相关的方方面 面。对大体积混凝土基础的温度变形控制更是涉及到岩土、结构、建筑材料、 施工、环境等多专业、多学科。并且随着各种新材料的不断涌现，各种检测手 段的不断发展，对大体积混凝土温度变形问题的研究也在不断更新变化。 1 5 1 混凝土早龄期物理力学性质的研究 大体积混凝土结构在硬化期间的物理力学性质具有时变效应。为分析混凝 土早期的温度场与温度应力场，必须首先对早龄期混凝土的物理力学性质有清 晰的认识。混凝土早龄期的物理力学性质包括：水化热量、热传导系数、比热、 抗压强度、抗拉强度、徐变性质、泊松比、粘弹性等，尤其是混凝土的弹性模 量、线性膨胀系数与应力松弛特性等对温度应力计算的影响较大，针对这些性 质国内外进行了大量的实验研究。 c e r v e r a ( 1 9 9 9 ) p 1 建立了一种适于模拟早期混凝土性态的热学化学一 一力学模型，可模拟混凝土的水化、养护、破坏及徐变过程。模型建立在多孔 介质的理论基础上，可预测混凝土的水化程度及水化热的变化过程。混凝土的 力学性态则主要通过粘弹性力学模型模拟。 m a t se m b o r g & s t i gb e m a n d e r ( 1 9 9 4 ) 州对早期混凝土的热应力和热裂缝作 了较多的实验研究。实验包括徐变实验、自由热体积变化实验、松弛实验等， 以实验数据为基础提出了理论模型。该文的理论模型是建立在非线性的粘弹性、 粘塑性、应变软化基础上的，并且编制了计算机程序，进行不l 耐混凝土工况的 7 第l 馥引言 分析。通过实例分析认为：混凝土结构的裂缝控制仅仅考虑温度场分布是远远 不够的，还必须考虑不同的约束条件以及早龄期混凝土力学性质的时间效应。 g u oc h e n g i u ( 1 9 8 9 ) 【7 媳出了预测混凝土早期强度的公式，并附有两个算 例。 b a r r y p h u g h e s & c a l o s v i d e l a c i f u e n t c s ( 1 9 8 8 ) i s 提出早期混凝土受温度 影响及收缩作用产生的裂缝宽度的公式。 f r a n c i sa 等( 1 9 9 0 ) 9 1 研究了混凝土早期强度随时间的变化，实验采用波 特兰水泥，强度观测时间在6 ，1 2 小时及1 ，2 ，3 ，7 ，2 8 天。 f r a n c i sa 等( 1 9 9 1 ) 1 0 1 研究t 早期混凝土的弹性模量、泊松比、抗压强度 与时间的关系。 g a r d n e r ( 1 9 9 0 ) 【】研究了温度对早期i 型、l i i 型及粉煤灰混凝土的影响。 b r o o k s & a j k a i s i ( 19 9 0 ) i 2 】研究了波特兰水泥和矿渣水泥在升温后浇筑时 的早期强度发展。 1 5 2 国外关于混凝土结构温度场与温度变形的研究 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( 包括非线性湿度分布) 。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。美国恳务局【l3 】在研 究基岩的非f l , j 性时，采用了有效弹性模量代替实际墙体弹性模量，考虑了墙体 和基岩的相对刚度的影响，得出混凝土有效弹性模量与墙体和基岩弹性模量的 计算公式。 m i c h a e ls t a f f z u r ( 1 9 9 4 ) 【1 4 l 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。文献【1 4 】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。 g e r dt h i e l e n & h o r s tg r u b e ( 1 9 9 0 ) 【1 5 1 中介绍7 几种防止裂缝的方法，其 第1 章引言 中包括由于热荷载产生的裂缝。文中介绍了实验设备和实验方法，实验研究了 温度对混凝土弹性模量的影响、开裂框架的温度与应力随时日j 的变化以及温度 引起的拉应力等。 r u p e r ts p r i n g g e n s e h m i d & r o l f b r e i t e n b u c h e r ( 1 9 9 0 ) l 坼j 等人针对早龄期混 凝土，用裂缝温度关系来对混凝土结构开裂趋势进行了估计，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。 e n r i q u em i r a a m b e l l & a n t o n o ia g u d o ( 1 9 9 0 ) 1 1 7 1 中提出了针对箱型梁大桥 的温度度和应力的分析模型，对温度场与应力场分析进行预测。该模型考虑了 环境因素、材料物理力学性质、结构的截面几何特征的影响，重点分析了不同 截面几何形状对温度场与应力场分布的影响。对采用此模型计算结果与其它作 者的实验结果进行了对比。 f r a n kv e c c h i o ( 1 9 9 0 ) f l s l l 悖埘混凝土框架的温度应力进行了实验研究，研 究了大尺寸框架在热荷载和机械荷载作用的反应。得出的结论认为，混凝土热 荷载会引起明显的变形、应力与裂缝，热应力引起的内力受结构刚度的影响很 大。 m a n g o l d ( 1 9 9 8 ) 1 2 0 1 设计了一套实验方法，可以直接测量混凝土的约束应 力与开裂趋势等，并且分析了不同实验设备对温度应力测试结果的影响。 v a n b r e u g e l ( 1 9 9 8 ) 【2 l 】提出了混凝土硬化期日j 温度变化的预侧方法。文章 认为混凝土的温度变化随水化度( d e g r e eo fh y d r a t i o n ) 变化，通过实验分析了 不同混凝土材料、水灰比，水化温度对水化度的影响，提出了控制混凝土温度 变化的措施。 e m b o r g ( 1 9 9 8 ) 【2 2 l 对混凝土硬化期间的抗压强度、抗拉强度、粘弹性以及 断裂力学性质、线性膨胀系数等进行了详细的探讨，综合分析了计算这些参数 模型。文献重点分析了旱龄期混凝土的徐变变形性质，并提出了一个包括混凝 土的温度变形、收缩变形、粘弹性与断裂变形的计算模型。 r o s t a s y 等( 1 9 9 8 ) 【2 3 l 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。 t a n a b e ( 1 9 9 8 ) 1 2 4 1 对温度应力进行了实测研究，给出了测试仪器与方法。 对实测的温度场与应力场进行了分析，并与计算结果对比。 9 第1 章引言 b e m a n d e r ( 1 9 9 8 ) 【2 5 】分析了温度裂缝产生的原因，提出了裂缝摔制原则， 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 5 3 国内关于混凝土结构温度场与温度变形的研究 在大体积混凝土问题上，国内的早期研究主要集中在水利工程方面，早在 2 0 世纪5 0 年代，朱伯芳【3 1 1 2 0 1 2 1 】等人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、重力坝、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，提出了分层算法和分区异步算法。其多数成果己纳入我国水工结构设 计规范。 房屋建筑结构方面，王铁梦对工业与民用建筑工程中大体积混凝土裂缝控 制进行了研究。系统分析了建筑物的裂缝的发展变化规律，提出了有效的裂缝 控制设计和施工措施。文献【1 】在总结宝钢、地铁建设、合流污水等重大工程裂 缝实践经验的基础上，还运用综合研究方法，结合设计、施工、材料、地基、 环境条件，提出“抗”与“放”的设计原则，统一了留缝与不留缝的两种设计 流派的技术观点，结合实践提出了伸缩缝间距及裂缝摔制的计算公式，并在工 程中得到广泛应用。 文献【2 6 】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温 度裂缝计算公式，以及控制温度裂缝的施工技术措施。 文献【2 7 】将半解析元方法用于弹性地基板块的温度应力分析中，推导了三 维温度场和应力场的计算公式。 文献【2 8 】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。 文献【2 9 】与1 3 0 1 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 0 第l 章引言 今后需要解决的问题。 文献f 3 1 】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解温度应力及徐变应力的公式。 文献【3 2 】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。 葛世平口”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 年千缩应力的基础上，采用三维有限元 分析车站结构整体纵向温度应力。 温竹茵1 3 4 1 推导了地铁车站的温度、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。 董明钢【3 5 l 对地基水平约束r 叫，关系用折线假定代替常用的直线假定，提出 了计算地基上大体积混凝土结构温度应力的新计算方法，并在此墓础上，分别 针对受到地荃水平单向约束、地基水平与竖向约束的混凝土板温度应力进行了 有关的理论分析和公式推导。 刘杰【3 6 】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【”1 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答，结 合施工过程中其它因素，找出了施工中裂缝的主要原因。 陈志明【9 1 等根据有关工程对不同厚度的达体积钢筋混凝土在高温下混凝土 内部温度进行了施工全过程的跟踪和实测，统计整理出混凝士的中心部位的温 度升降变化的全部曲线，在大量工程实例的整理统计基础上，考虑各种施工因 素，提出了大体积混凝土在高温情况下的最高温度值的经验公式。 万在龙【”l 首先完成了大量的关于混凝土早期材料性质的实验，如抗乐强度、 第l 章引言 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握握 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。 清华大学与河海大学等针对水工大体积混凝土的温度应力问题进行了一系 列的研究文献p 9 】根据大体积混凝土分层分块浇注的特点，采用层合单元模型， 编制了三维有限元仿真计算程序，计算水工大体积棍凝土的温度场与温度应力 场，并对混凝土热力学参数以及边界条件参数进行了反演分析。文献 4 0 1 针对 碾压混凝土坝的成层结构特点，提出了碾压混凝土坝层合单元浮动仿真分析模 型。文献【4 l 】引入子结构单元来模拟水管冷却效应，将冷却水管所在的单元作 为子结构，推导了有冷却管效应时混凝土结构温度场和应力场的三维有限元计 算公式，编制了仿真计算程序。 在大体积混凝土计算方法与软件开发研究方面，国内的发展也十分迅速。 清华大学的马杰m l 进行了大体_ j | 混凝土温度和温度应力计算的边界元法研究， 编制了边界元程序并附有理论解的验证。 崔亚强i l o l 研究了大体积混凝土二维温度场的机理，建立了大体积混凝土的 二维温度场的数学模型，使之程序化。 张旭升1 4 3 】以非线性钢筋混凝土有限元方法研究了底板和墩堵类大体积混凝 土温度裂缝的产生与发展。 陈德威1 4 4 1 开发了一套三维有限元温度程序包，通用于一般大体积混凝土在 施工及运行过程中不稳定温度场和温度应力场的计算分析。 混凝土早期收缩变形，国内的研究文献有限，大多借鉴国外规范的经验公 式和理论。由于收缩机理的复杂性，该领域仍存在大量的问题有待于进一步探 讨和深入研究。 对于干燥收缩，国外进行了大量的相关机理的研究工作，并建立了相应的 理论体系，主要包括便面自由能理论( s u r f a c ef r e ee n e r g y ) 、毛细管张力理论 ( c a p i l l a r yt e n s i o n ) 、夹层水运动理论( m o v e m e n to f i n t e r l a y e rw a t e r ) 和分离压 力理论( d i s j o i n i n g p r e s s u r e ) 。各理论均在一定范围内使用与于缩变形的描述， 而其中又以毛细管张力理论的应用范围较为广泛。该理论认为干燥收缩产生的 张力是由于外界湿度低于毛细孔内部湿度，使得水分从混凝土表面毛隙孔末端 蒸发散失而引起的，水分的散失语表面积率成正比，同时还取决于混凝土内部 1 2 第l 章引言 孔隙结构的特征，如形状与连通性以及外部环境的湿度。 目前，对大体积混凝土底扳早期变形的监测和理论研究已经进行了大量的 工作，然而受到现场大体积混凝土底板边界、尺寸和施工方法复杂性的限制， 施工和设计规范与理论研究存在脱节现象，特别是对一些超大型混凝土底板的 设计和施工方法认识尚不清楚。本文正是基于这样的研究背景开展大体积混凝 土底板早期变形的监测与理论仿真研究的。 1 6 本文工作 本文针对混凝土早期裂缝的控制问题，根据最初定制的研究计划，主要完 成了以下主要工作； 大体积混凝土底板早期变形基于有限元分析介绍，主要完成有限元仿 真分析分析的简化与假设的介绍、仿真中问题的难点如何解决的介 绍： 有限元软件温度场的仿真分析，主要运用大体积有限元分析软件对混 凝土底板浇注后2 0 天的时间内，底板内部温度场的变化进行模拟， 以得到底板内的应变随时间的变化趋势。 在温度场荷载作用下的大体积混凝土底板变形仿真分析，主要运用温 度场分析得到的温度荷载直接作用到相应的结构模型上，模拟底板由 于温度产生应力、应变的过程模拟，从理论上验证现场实测数据的整 理归纳的规律。 工程应用及实例分析，结合对于实际的工程实测结果的整理和分析以 及工程应用分析，得出各种影响因素对大面积超长超宽的地下室底板 的内力和变形的影响规律，为类似的工程提供设计参考。 将实测结果与仿真分析数据比较，检验理论模型和仿真系统的可靠 性。 ) ) ) ) ) n ! o 巧 第2 章大体积混凝f ：早期温度场与温度应力场的有限元数值模拟摹本原理 第2 章大体积混凝土早期温度场与温度应力场的有限元数值 模拟基本原理 2 1 概述 关于混凝土早期温度变形，目前工程上常以地基水平阻力系数法来近似的 考虑土体约束，该法的提出大大简化了大体积混凝土温度变形的计算，使手算 成为可能，但该法也存在无法考虑结构的尺寸效应等缺陷。 随着数值计算方法的发展，从更高的起点对大体积混凝土的温度场及温度 应力进行计算成为可能。然而在实际工程中遇到的问题，一般难以用解析方法 求解，近似计算便成为解决这类问题的主要方法。古典的近似计算方法主要有 两种。一是寻找级数形式的解析解，如变分法( 李兹法) ，加权余量法( 伽辽金法) 等等，如果原问题的方程具有某些特定的性质，则它的等效积分提法可以归结 为某个泛函的变分，相应得近似解法实际上是求解泛函的驻值问题。另一种方 法是有限差分法，或集中节点法，如热节点网络法，这种方法是把求解域经过 离散化处理，近似地用差分代替微分，差商代替微商，把一定边界条件下的对 微分方程的求解转化为求解代数方程组，把离散后的小区域集中到结点上，把 连续场问题转化为不连续的结点问题处理。在计算机出现后，这种近似方法在 各个领域中得到了广泛的应用 4 5 1 0 有限元法实际上是以上两种方法的结合。它采取了有限差分法的离散化处 理，把整个求解区域分为一个个小区间( 即单元) ，在每个小区间内采取变分法 或加权余量法寻找可用单元边界函数值表示的解的近似函数，最后在整个域内 通过代数方程组的联解，得到连续的微分方程解。 大体积混凝土有限元分析有巨大的优势，体现在： 1 ) 有限元分析可得到结构的整体温度场即应力场，这对结构体型复杂的 结构有重要意义。 2 ) 有限元分析可考虑各种复杂的热传导边界条件。 3 ) 有限元分析可将结构内外约束一并考虑，更接近结构的实际情况，而 4 第2 章大体积混凝i - 7 期温度场与温度应力场的有限元数值模拟摹本原用 各种手算法由于计算手段的限制，一般将结构内外约束分开考虑。 4 ) 有限元法在每个单元内寻找温度的近似分布，在计算节点温度时充分 估计了有关单元对节点温度的影响。 5 ) 有限元法单元划分比较灵活，可以在不增加节点数的情况下根据温度 梯度的大小合理安排节点疏密程度以提高计算精度。 2 2 温度变形理论 计算大体积混凝土结构的温度变形，首先根据热传导理论，计算结构各点 在各瞬时的温度，印确定温度场；然后根据结构前后两个温度场之差的温度作 用，按热弹性力学求出温度变形。大体积混凝土的温度场求解属线性的瞬态温 度场问题，温度应变属热弹性力学问题，利用有限元理论求解上述两个问题的 理论已经相当成熟。 具体计算中的难点在于如何确定材料的热工、热力学参数及边界条件，对 一般的大体积混凝土结构，在进行温度场、温度应力场仿真计算时，设计人员 手头所拥有的资料一般只有混凝土的配合比，上述参数及边界条件都得根据经 验资料选取，若选择不当，会使仿真分析产生较大误差。本文结合热传导理论 及热弹性力学理论对上述问题进行了分析。 2 2 1 混凝土的热传导方程 温度场问题即热传导问题，大体积混凝土在施工期由于水泥水化作用而发 热，其边界条件一般也随时间变化，所以大体积混凝土的温度场问题为有热源 的瞬态温度场问题。其热传导方程如下【2 1 ： 鲁= 卜窘+ 以等+ 丸窘) + 掣 汜z ， 式中：7 _ 一混凝土内部任意点( 工，y ，2 ) 的温度函数( ) ： f - 一时间( d ) a ，。五，t 混凝土沿x ，y ，z 方向的导热系数( k j ( m d ) ) ，对 于均质、各项同性材料五。= 彳，= 五：= 五； c _ 一混凝土材料的比热( k j ( k g ) ) ； 第2 章大体积混凝l ：早期温度场与温度应力场的有限元数值模拟摹本原用 r 混凝土的密度( k g m 3 ) ； f ( r ) 热源方程，这里表示单位时间体积发出的热量( k j ( m 3 d ) ) f ( f ) = 嗡( 1 一p ) ( 2 3 ) 式中：卜单能体积混凝土中的水泥含量( k g m 3 ) ； q o 一单位质量该品种水泥水化所释放的总热量( w ) ； 卜该品种水泥的水化反应速率，无量纲参数。 则防热速率： 几) ：掣：聊崛。 口7 ( 2 4 ) 2 2 1 1 定解条件 1 ) 初始条件 现浇混凝土结构一般采用预拌混凝土，大方量连续浇注施工作业，一般在 1 2 1 4 h 内浇注完毕。理论上，浇注的每一立方混凝土都存在时间差异，也就是 说如果以浇捣结束为r = 0 时刻计算，则各点的初始温度都不相| 一，而实际上并 没有关于这个温度差异的精确测量数据，或理论解析表述。从实用角度可以认 为混凝土终凝完成为温度场计算的初始时刻，并且整个结构的初始温度相i 司， 不随空间位置变化。 r ( x ，j ，z ，f l ，i o = t o 式中：珩现浇混凝土结构的初始温度， 算依据时可以取为混凝土的浇注温度乃。 2 ) 混凝土的浇注温度 ( 2 5 ) 在缺乏量测数据或其它理论计 混凝土的浇注温度是指混凝土出搅拌机后经过运输、平仓、振捣过程后的 温度。影响浇注温度的主要因素是上述过程中外界与混凝土问的热传导，因此 与拌和温度和外界温度的温差有关。乃可用式( 2 6 ) 计算： t = 疋+ 吒一】( 4 + 4 + 4 + + 一。) ( 2 6 ) 式中：弓一混凝土的浇注温度； 乃一混凝土的拌和温度： 混凝土运输和浇筑时室外温度： 6 第2 章大体积 混凝l ：早期温度场与温度应力场的有限元数值模拟基本原理 瓦环境温度； 4 + 彳2 + 以+ + 爿。温度损失系数。 其值如下： l 、混凝土装，卸和转运，每次a = 0 0 0 3 2 ； 2 ) 混凝土运输时a = 0 t ，t 为运输时日j ( 以r a i n 计) ，0 取值见文献 4 5 - 3 ) 浇注过程中a = 0 0 0 3 ，为浇捣时间( 以m i n 计) 。 3 ) 混凝土拌和温度 混凝土拌合温度又称为出机温度，指混凝土拌合物离开搅拌机时的温度。 可用“计算表格法”进行计算，混凝土拌和物的热量是由各种原材料供给的， 拌和前各种材料的总热量应等于拌和后流态混凝土的总热量，故可得方程 4 1 ： r 。e w c - - e r , w c ( 2 7 ) 式中：疋混凝土拌和温度； 彤一混凝土的质量( k g ) 仁