（岩土工程专业论文）桩土约束下大体积混凝土底板早期变形的数值模拟分析.pdfVIP

摘要 摘要 随着现代混凝土技术的发展，大体积混凝土底板被越来越多的应用到建筑 工程领域中。大体积混凝土底板一方面由于内外温差而产生应力；另一方面， 由于混凝土的凝固收缩变形受到底板下桩和土的约束，混凝土底板内会产生拉 应力，一旦温差和收缩变形引起的应力超过同龄期混凝土的极限抗拉强度，底 板内就会产生裂缝，从而影响结构的整体性、防水性和耐久性，给建筑安全带 来隐患。 为进一步探求大体积混凝土底板早期变形的特点，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，利用大型有限元程序，总结了大体积 混凝土底板早期温度场和温度应力的变化的一般规律，并探讨了桩土约束下， 不同底板尺寸及边界条件对底板早期变形的影响，总结了浇筑早期混凝土底板 应变随底板尺寸和边界条件的变化规律。另外，本文在数值计算的基础上，提 出了大体积混凝土底板施工中后浇带的留置间距问题。分析表明，大体积混凝 土底板的变形主要发生于早期，其变形随着混凝土底板尺寸增大而近似呈现为 线性增长的规律。 本文对于大体积混凝土底板早期变形的数值模拟分析结果可为今后大体 积混凝土底板工程的设计与施工提供参考。 关键词：大体积混凝土，混凝土底板，桩土约束，温度场，温度应力，边界条 件，后浇带，数值模拟 a b s t r a c t a b s t r a c t m a s sc o n c r e t es l a bi sb e i n gu s e di nc o n s t r u c t i o nw o r k sm o r ea n dm o r ew i t ht h e d e v e l o p m e n to fm o d e mc o n c r e t e o no n eh a n d ，t h es t r e s si nm a s sc o n c r e t es l a bi s c a u s e db e c a u s eo ft h ed i f f e r e n c eb e t w e e ni n t e r n a lt e m p e r a t u r ea n de x t e r n a lo n e o n t h eo t h e rh a n d ，w i t ht h ec o n c r e t eh a r d e n i n g ，t h et e n s i l es t r e s sw i l la p p e a rd u et o c o n c r e t e ss h r i n k a g er e s t r i c t e db yp i l ef o u n d a t i o n o n c et h es t r e s sg e n e r a t e df r o m b o t ha b o v ee x c e e d st h eu l t i m a t et e n s i l es t r e n g t ho fc o n c r e t ea tt h es a m ea g e ， t e m p e r a t u r ec r a c ko fc o n c r e t ei ss u r et oa p p e a r i ti so b v i o u sf o rc r a c kt od e s t r o yt h e c o m p l e t e n e s s ，a n t i - w a t e ra n dw a t e r - t o l e r a n tb e h a v i o ro ft h es t r u c t u r e s ，a n dc a u s e s a f e t yc r i s i so f s t r u c t u r e s i no r d e rt od om o r ea n a l y s e sa b o u tt h ed e f o r m a t i o no fe a r l y a g em a s sc o n c r e t e s l a b ，t h i sp a p e rh a sd o n et h et h e r m a l s t r u c t u r ec o u p l i n ga n a l y s i so fm a s sc o n c r e t ei n t 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 eb a s e do nt h et h e o r yo 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 d t h e r m o - e l a s t i cm e c h a n i c sw i t h i nf e m t h ee f f e c t so f e a r l ya g e m a s sc o n c r e t es l a bd e f o r m a t i o nc a u s e db yd i f f e r e n te d g ec o n d i t i o n sr e s t r i e t e db yp i l e f o u n d a t i o na r ea l s oa n a l y z e d a tt h es a m et i m e ，t h et h e o r yv a l u eo ft h el a t e r j o i n t - f i l l e ds l o t ss p a c i n gi sa l s og i v e n f i n a l l y , s o m ei m p o r t a n tc o n c l u s i o n sa r ed r a w no nt h eb a s i so ft h ea n a l y t i c a l r e s u l t s ，t h ed e f o r m a t i o no f m a s sc o n c r e t es l a b ，g e n e r a t e sm o s t l yi nt h ee a r l ya g e ，h a s a l la p p r o x i m a t e l yl i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ed i m e n s i o no f t b es l a b a i lr e s e a r c hw o r kh e r ec a nb er e f e r e db ye n g i n e e ra n dr e s e a r c h e ri nt h ef i e l d k e yw o r d s ：m a s sc o n c r e t e ，c o n c r e t es l a b ，r e s t r i c t i o no fp i l ef o u n d a t i o n ，t e m p e r a t u r e f i e l d ，t e m p e r a t u r es t r e s s ，l a t e rj o i n t f i l l e ds l o t , b o u n d a r yc o n d i t i o n ，n u m e r i c a l s i m u l a t i o n 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印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：屯邑年 伽7 年) 月h 日 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，是本人在导师指导下，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，本学位论文 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开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：蜃童手 砷年，月1 口日 第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 随着混凝土施工技术的快速发展，大体积连续浇注技术被越来越多的应用 于工程实际，而同时混凝土早期裂缝的控制问题，也成为困扰施工技术人员的 主要难题。 大体积混凝土浇注完成后，由于水泥水化时放出大量的热量及外部环境温 度的变化，混凝土内部的温度也处于一个不断变化的过程当中。由于温度的升 降变化而引起的应力就称为温度应力。混凝土结构温度应力变化规律与其它结 构相比有一定的差别，产生这些差别的主要原因主要有两个方面：一是混凝土的 弹性模量是随着龄期的变化而变化的；二是因为混凝土的徐变。工程实际中， 混凝土的温度应力分析比较复杂，它要受结构形式、气候条件、施工工艺、材 料特性以及运行条件等多种因素的影响。混凝土裂缝问题是相当普遍的工程质 量问题。 本文所讨论的桩土约束对大体积混凝土底板早期的变形影响分析这一课题 来源于工程“上海浦东陆家嘴中央公寓( 一期) ”。浦东陆家嘴中央公寓1 2 幢 高层建筑塔楼设计建造于同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 x 2 8 5 6 m 2 ，建筑面积约为4 9 0 0 0 m 2 ， 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所产生变形的影响； ( 2 ) 施工中后浇带的设置对大体积混凝土底板的内力和变形的影响； ( 3 ) 大体积混凝土水化热和混凝土收缩变形的影响； ( 4 ) 桩土约束等边界条件对大体积混凝土底板的内力和变形的影响。 如何衡量这些因素对大体积混凝土底板早期变形的影响是工程的难点问 题。因此有必要对这些因素对大体积混凝土底板早期变形的影响进行分析。 第1 章绪论 1 2 混凝土早期变形产生的机理 1 2 1 概况 混凝土按照水泥水化过程分为以下四个阶段圈： ( 1 ) 塑性阶段 从浇捣完成开始至终凝完成的时段，对普通混凝土一般约为6 - - 1 2 h 的时段。 该阶段中，混凝土仍处于塑性流变阶段，水化反应剧烈，物理化学性质都极不 稳定，体积变化强烈。 ( 2 ) 早前期阶段 一般指1 2 h ( 终凝完成后) 至7 2 h 的时段。该阶段中，水化进程过半，混 凝土内部形成了基本的微观结构体系，强度和刚度发展极为迅速。 ( 3 ) 早期阶段 一般指7 2 h 至9 0 d 的时段。该阶段中，水化过程基本结束，混凝土的强度 和刚度发展减缓，而趋于成熟。 ( 4 ) 成熟阶段 一般指9 0 d 以后的时段，该时段中仍有极微弱的水化过程继续，混凝土强 度和刚度的发展达到稳定状态，属于通常讨论的结构混凝土的普通性质范畴。 早期混凝土主要是指早前期阶段和早期阶段而言，在这期间混凝土伴随水 泥水化过程的进行，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，收缩变形和徐变等一系列应变。早期裂缝的生成和发 展规律则是这些体积变形的结果。早期混凝土由于其温度场分布的复杂性和变 化的急剧性，成为大体积混凝土温度变形研究的重点和难点。 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 关的间接作用，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【3 】o 混凝土早期变形的产生，大部分可归结为由温度变形和收缩变形等间接作 用所导致。因此，本文在研究大体积混凝土结构早期变形时，主要讨论的是温 度、收缩等间接作用的影响。 第1 章绪论 1 2 2 温度作用 在大体积混凝土结构早期变形中，温度变化起着举足轻重的作用。现浇混 凝土置于现场环境中，除混凝土水化发展产生的水化热外，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，结构会经历季节变化、 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 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。 当大体积混凝土结构不受任何约束，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。但因 实际工程都很难满足上述两种条件，故一般的混凝土结构由于温度变化都将产 生温度应力。温度变化对混凝土的影响主要有：引起结构内力的变化；导致混 凝土裂缝；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结构受拉而破坏。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。 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 ) 五种主要形式阳i 。 ( 1 ) 塑性收缩 第1 章绪论 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，但由于混凝土尚未硬化，一般认为，在 施工作业振捣充分时不会影响后期质量。 ( 2 ) 自干燥收缩 发生在水泥硬化过程( 早前期阶段) ，源于混凝土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 ) 干燥收缩 由于水分的散失而导致的干燥收缩最为常见，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 ) 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。 一般混凝土早期裂缝控制的重点，集中于自干燥收缩( 或自身收缩) 和干 燥收缩问题的研究。 关于混凝土早期收缩变形，国内方面的研究相当有限，大多基于试验的分 析，或借鉴国外规范的经验公式和理论。相对而言，国外的研究者完成了大量 的工作。然而由于收缩机理的复杂性，该领域仍存在大量问题有待于进一步进 行分析研究。 1 2 4 徐变 徐变可以减轻混凝土内部由于温度变形和收缩变形引起的拉应力，从而缓 解裂缝的产生和发展。对于徐变现象的理解，关键还是在于对于徐变机理的研 究。 目前关于徐变的理论主要有以下三种嘲： ( 1 ) 粘流理论( v i s c o u sf l o wt h e o r y ) ( 2 ) 塑流理论( p l a s t i cf l o wt h e o r y ) 第1 章绪论 ( 3 ) 渗流理论( s e e p a g eo fg e lw a t e r ) 由于任一理论都不能完全解释所有的徐变现象，根据a c i 委员会2 0 9 有关 规定，结合以上理论的相关假定，徐变的主要机理如下： ( 1 ) 水泥浆体的粘性流动，主要因为凝胶体由于吸附水层的润滑而引起 的剪切和滑移； ( 2 )由于吸附水的渗流和层间水的分解而引起的固结： ( 3 ) 由于水泥浆体相对骨料和凝胶结晶体形成的弹性骨架的约束而引 起的滞后弹性； ( 4 ) 由微裂缝以及重结晶和新粘结形成引起的永久变形。 由于徐变的复杂性和不确定性，因此本文的研究中，主要考虑温度和收缩 作用所引起的混凝土变形。 1 3 大体积混凝土研究综述 1 3 1 大体积混凝土的定义 关于大体积混凝土的定义，各国的定义不尽相同： ( 1 ) 美国混凝土学会a c i 规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺 寸之大，必须要求采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题，以最大的 限度减少开裂”。 ( 2 ) 日本建筑学会标准( j a s s s ) 的定义是：“结构断面最小尺寸在8 0 c m 以上；水化热引起混凝土内的最高温度与外界气温之差，预计超过2 5 c 的混凝 土，称为大体积混凝土”。 ( 3 ) 前苏联规范中定义：当混凝土在施工期间被分成若干独立的混凝土 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 0 4 5 、英国b s 8 8 2 、我国行业标准y b j 2 2 4 9 1 中虽然没 有对大体积混凝土作出明确的定义，但对于大体积混凝土结构设计与施工，均 作出了较为明确的规定。由此可见，大体积混凝土是一个相对的概念。坝体和 厚壁构件( 壁厚1 5 2 0 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 m m 的侧墙、1 0 0 0 m m 的筏板等，虽然较薄，却不同于一般 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、干缩 第1 章绪论 等变化以控制裂缝的出现和发展，因此从各国规范的定义来看，也应该认为是 大体积混凝土。随着大规模经济建设的开展，工业建筑中的大型设备基础，高 层建筑的基础和桩基承台等重要的、承受荷载大的结构，往往都是采用大体积 混凝土建造【7 】 1 3 2 大体积混凝土的基本特点 通常来讲，大体积混凝土有以下特点： ( 1 ) 工程条件复杂。大体积混凝土体积庞大、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质量控制中，混凝土裂缝的控制成为问题的关键。 ( 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 以上) ，出现非常大的膨胀量；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。 因此，在某种程度上，对大体积混凝土质量的控制就是对混凝土温度裂缝 的控制。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 3 3 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，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。 第1 章绪论 c e r v e r a ( 1 9 9 9 ) 【8 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，进行不同混凝土工况的 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 ) 1 0 1 提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 yp h u g h c s & c a l o sv i d e l ac i f u e n t e s ( 1 9 8 8 ) 【“】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 ) p 2 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 3 】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 ) 1 1 4 研究了温度对早期i 型、i 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 ( 1 9 9 0 ) 1 5 】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 3 4 国外研究现状 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， 7 第1 章绪论 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【l 6 】在研 究基岩的非刚性时，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 ) 0 7 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。文中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 8 】中介绍7 几种防止裂缝的方法，其 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间的变化以及温度 引起的拉应力等。 r u i p e r ts p r i n g g e n s c 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 ) 1 1 9 喀人针对早龄期混 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 a 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 ) 2 0 1 d p 提出了针对箱型梁大桥 的温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 g h i o ( 1 9 9 0 ) 2 1 1 2 2 1 对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 ) f 2 习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 q 提出了混凝土硬化期间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 5 】对混凝土硬化期间的抗压强度、抗拉强度、粘弹性以及 第l 章绪论 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。文献重点分析了早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 6 1 提出了以补偿平面法( c o m p e n s a t i o n p 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 ) 【27 】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。 b e m a n d e r ( 1 9 9 8 ) 田】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 5 国内研究现状 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2 3 1 1 2 4 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。其多数成果已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【l 】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控制的计算公式，并在工 程中得到广泛应用。 高勋华( 1 9 8 7 ) 【2 9 】对超厚超长钢筋混凝土结构施工的温控技术进行了总结， 第1 章绪论 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。 张德兴等( 1 9 9 2 ) 1 3 0 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。 王增春等( 1 9 9 8 ) 3 q 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。 刘宁等( 1 9 9 8 ) 3 2 】( 1 9 9 6 ) 3 3 】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。 方义琳等( 1 9 9 8 ) 【3 4 】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。 张德兴( 1 9 8 9 ) 3 5 1 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( 2 0 0 0 ) p 6 】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向温度应力。 温竹茵( 1 9 9 9 ) 【37 】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( 2 0 0 0 ) 【3 8 】对地基水平约束，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( 1 9 9 7 ) 口9 】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 第1 章绪论 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( 2 0 0 0 ) 【帅】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。 万在龙( 2 0 0 0 ) j 首先完成了大量的关于混凝土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 4 2 】( 1 9 9 4 ) 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 3 】( 2 0 0 0 ) 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 4 1 ( 1 9 9 8 ) 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( 1 9 9 0 ) 1 4 5j 进行了大体积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。 张旭升( 1 9 9 3 ) 【拍l 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 9 9 5 ) 4 7 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 第1 章绪论 ( c a p i l l a r y t e n s i o n ) 、夹层水运动理论( m o v e m e n t o f i n t e r l a y e r w a t e r ) 和分离压 力理论( d i s j o i n i n gp r e s s u r e ) 。各理论均在一定范围内使用与干缩变形的描述， 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 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，对大体积混凝土早期变形的分析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的设计和施工方法 认识尚不清楚。因此通过理论分析建立相应的计算模型，实现对大体积混凝土 结构温度应力的定量分析，对于工程温度变形问题有着极其重要的意义。 1 4 本文的研究内容 本文主要对大体积混凝土底板在不同约束条件、不同龄期条件下的温度场、 温度应力进行了研究。主要的研究内容有： ( 1 ) 大体积混凝土底板早期温度场的有限元模拟分析，主要运用大型通 用有限元分析软件a n s y s 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，用以分析大体积混凝土底板内的温度随时间的变化趋势； ( 2 ) 在温度场荷载作用下的大体积混凝土底板变形的有限元模拟分析， 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，用以分析 大体积混凝土底板内的应力和变形； ( 3 ) 对不同边界条件的大体积混凝土底板早期温度应力产生的变形进 行比较分析； ( 4 ) 对不同尺寸大小的大体积混凝土底板早期温度应力产生的变形进 行分析比较； ( 5 ) 通过不同边界条件、不同尺寸大小的混凝土底板比较分析的结果， 得出边界条件和尺寸大小对超长超宽的大体积混凝土底板的内力和变形的影响 规律，为类似的工程提供理论参考。 实际工程中，大量的大体积混凝土地下结构，如地铁车站、隧道、建筑物 基础等都受到裂缝问题的困扰。因此本文通过理论分析建立相应的计算模型， 第l 章绪论 实现了对大体积混凝土结构温度应力场的定量分析，对于类似工程问题提供参 考依据。 第2 章温度应力理论 第2 章温度应力理论 2 1 温度应力的概念及产生 2 1 1 温度应力的概念 假设有一根梁受到温度升降的影响而发生温度变形。如果梁端没有约束， 可以自由伸缩，则温度变形并不会使粱内产生应力。如果梁两端处于嵌固状态 ( 全约束状态) ，则升温时，梁的膨胀受到限制，无法膨胀，粱内将产生压应 力；降温时，梁的收缩受到限制，无法收缩，梁内将产生拉应力。这种压应力 或拉应力就是温度应力，其大小为： 仃= 一e g a t( 2 1 ) 式中，e 混凝土的弹性模量( m p a ) 口混凝土的线膨胀系数( 取1 o x l 0 - 5 ) r 韫差( ) 由于混凝土的抗拉强度很低，降温产生的拉应力可能使梁中出现开裂。按 照弹性力学计算，当这种温差达到i o * c 时，产生的拉应力就可能使两端处于嵌 固状态的混凝土梁被拉裂。对于新混凝土的浇注( 处于嵌固状态) ，当升降温 的幅度达到1 2 2 0 c 时，对于受到完全约束的混凝土，后期降温时产生的拉应 力便足以使混凝土被拉断。 2 2 产生温度应力的原因 混凝士的基本材料之水泥，是一种在水化时会放出大量热量的材料。 水泥的水化放热量大致在2 0 0 4 0 0 k j k g ，这样的热量可以使绝热状态下的混凝 土温度上升3 0 4 0 ，如果再叠加上自身原有的温度，则混凝土中的最高温度 会达到7 0 8 0 。但是水泥的水化放热时间较长，需要几十天以至几个月的时 间( 一般以前3 7 天的放热量为最大) ，在普通情况下( 构件尺寸、厚度不大 时) ，这种放热可以比较快地消散到周围环境中( 空气、水、土壤) ，从而使 1 4 第2 章温度应力理论 混凝土内部的温度和周围环境的温度相差不大。而大体积混凝土由于热量散发 的路径变长，混凝土又是一种相对来说散热能力较差的介质，因此，在初期阶 段( 约0 4 天) ，混凝土中放熟速度大于散热速度，温度不断升高，混凝土受 热体积膨胀。此后，因为放热量大幅度降低，混凝土会因为仍然持续对外大量 散热而温度降低，产生体积收缩。混凝土的这种膨胀或收缩会受到地基或基础 的阻碍，于是就在混凝土内产生了压应力或者拉应力。另外，由于混凝土各部 位的温度高低不等，膨胀或收缩量不均衡，于是不同部位的混凝土之间也会产 生相互的约束，从而产生相互问的约束应力。 如图2 1 所示，混凝土浇注后的温度变化可分为以下几个阶段： 温度t 曩丙疆压 r 尧筑温度 ；龄期r 并温阶段降温阶段 稳定阶段 图2 1 混凝土浇注后温度变化图 ( 1 ) 升温阶段：混凝土温度升高，体积膨胀。由于受到地基等的约束，膨 胀受到限制，混凝土内会产生一定的压应力。但在初期阶段，混凝土的强度还 比较低，弹性模量和松弛系数也比较小，因此，压应力的数值并不大。 ( 2 ) 降温阶段：当混凝土内温度达到峰值后，水泥的放热量及放热速度大 大减小，混凝土的温度会因为散热速度大于放热速度而逐渐降低，同时体积也 逐渐开始产生收缩。同样，由于受到地基等的约束，这种收缩也不能自由进行， 于是会在混凝土中逐渐产生拉应力。在降温阶段，混凝土的强度、弹性模量会 有大幅度的提高，松弛系数也比较大，相应地，单位温差产生的应力增量会比 较大。因此，随着混凝土结构内温度的逐步降低，不但早期产生的压应力被抵 第2 章温度应力理论 消了，而且还会产生很大的拉应力，一旦这种拉应力超过了混凝土此时的抗拉 强度，则大体积混凝土中可能会产生裂缝( 图2 2 为混凝土抗拉强度随时间的 变化曲线) ，尤其是贯穿性裂缝。工程实践表明，当因环境温度下降而产生的 温度应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土板块会在中间部位附近出现垂直裂 缝。 r 删 擐 刊 爨 腱 t ( 开裂时间) 图2 2 抗拉强度及应力变化时间关系曲线 如图2 2 所示，大体积混凝土浇筑后，初始阶段，水泥水化产生大量水化 热，由于混凝土导热性不良，混凝土内部水化热聚积不易散发，外部散热较快， 混凝土整体处于升温阶段，但存在内外温差。混凝土中心部分的膨胀速度较表 面的快，表面部分处于受拉状态。当表面拉应力c r ( t ) 超过混凝土极限抗拉强度，= 时，混凝土表面就会开裂。随着水泥水化速度的减慢及混凝土的不断散热，大 体积混凝土由升温阶段过渡到降温阶段。体积收缩。此时混凝土表面温度与中 心温度仍存在差值，如果过大，同样会产生表面裂缝。总的降温过程，混凝土 体积收缩，考虑到地基的约束，属于约束收缩。并且随着龄期的增长，混凝土 弹性模量增高，徐变影响减小，降温收缩产生的拉应力较大，除了抵消升温时 产生的压应力外，还会在混凝土中形成较高的拉应力，同时，干缩与混凝土降 温产生的冷缩相叠加，增大了混凝土中的拉应力，当混凝土中的拉应力盯( f ) 超 过混凝土的抗拉强度f 时就引起大体积混凝土的贯穿裂缝。 第2 章温度应力理论 2 2 温度应力影响因素 2 2 1 混凝的热学性能 混凝土的热学性能包括导温系数a ( m 2 h ) 、导热系数ak j ( m h ) 、 比热c ( k j ( k g ) ) 或k c a l ( k g ) 、密度p ( k g m 3 ) 。 1 水泥水化热【7 】 水泥水化过程中放出的热量为水泥水化热。在大体积的混凝土结构中，由 于混凝土的导热能力很低，水泥水化产生的热量聚集在结构内部不易散失，形 成较大的温差，进而由于内外约束的存在，会在混凝土中形成温度应力。国内 外实践均证明，水泥水化释放的水化热会引起混凝土浇注块内部温度和温度应 力的剧烈变化，是大体积混凝土早期产生变形的主要原因。控制温度应力，首 先应降低混凝土中水泥水化热值。 水泥水化热依赖于龄期，常用下式表示，即： q ( f ) = q o ( 1