（机械设计及理论专业论文）32m混凝土箱梁蒸汽养护的热分析及温度控制.pdf

摘要 摘要 采用蒸汽养护技术预制混凝土箱梁可以提高粱的品质，缩短施工餍期，浚 技术的难点在于严格、准确、实时地控制温度变化。本文综合研究了国内外蒸 养工艺现状，针对施工中存在的设备简陋、温控糨放等问题，提出了新的工艺 措旌。现以3 2 m 混凝土箱粱为研究对象，采用软件a n s y s 建立了箱形粱盼有限 元模型，模拟混凝土水泥水化放热规律和边值条件，分析结构的温度场，同时 与理论曲线比较，说嚷此种模拟方法是合理的、可行的。通过温度场分析，对 箱梁结构在蒸养过程中的温度分布有了一个定性的认识。这种分析方法可以应 用到桥梁的设计和旌工中，确定混凝士蒸汽养护过程中的最高温度、最离温度 时刻等等，以便指导施工，提高施工质量，保证旋工安全。 模拟三维实体模型的蒸汽养护温度场，然后利用得到韵温度值作为下一步 结构计算鲍温度荷载，进行耦合计算，得出由于水泥水化热以及外部蒸汽引起 的温度应力及其一些相关解，可以在结构设计中进行棚疲的计算，避免施工中 出现温度应力超限的润题，对旌工作业和工序安排、改善受力行为、确保工程 质量有指导作用，也为今后类似工程的设计与施工提供理论依据与参考。 最后，在滠度场和温度应力分析结果的基础上，基于p c a t u o 缎态软件开发 了一套完善的自动控铡系统，实对监测、控杈隰凝箱粱的养护温差，保证结 构的温度应力在允许傻内，预防并控制混凝土绪构裂缝的开展，使混凝土的蒸 汽养护工艺更加成熟、完备、可靠。 关键词：混凝土，箱形粱，水化热，蒸汽养护，温度场，温度应力，温度控制 a b s t r a c t a b s t r a c t s t e a mc u r i n gt e c h n o l o g yc a l lr a i s et h eq u a l i t yo ft h eb e a ma n ds h o r t e n c o n s t r i c t i o np e r i o d t h ed i f f i c u l t yo ft h i st e c h n o l o g yl i e si ns t r i c ta n da c c u r a t ea n d r e a l t i m ec o n t r o l so f t h et e m p e r a t u r ec h a n g e t h i sp a p e rs t u d i e st h ep r e s e n ts i t u a t i o n o ft h es t e a mc 咖t e c h n o l o g ya th o m ea n da b r o a da n dg i v e st h en e wt e c h n i c a l m 黜u r ei nv i e wo ft h es i m p l ee q u i p m e n ta n dc r u d et e m p e r a t u r ec o n t r o li nt h e c o n s t r u c t i o n t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e3 2 mc o n c r e t eb o xb e a m ，a n dg i v e st h e p r e s e n ts i t u a t i o no ft h es t e a mc u r i n gt e c h n o l o g y , a n dp u tf o r w a r ds o m en e w t e c h n o l o g ym e a s u r e s t h ep a p e ru s e st h es o f t w a r ea n s y si nf e ma n a l y s i sa n d c o n s t r u c t st h ec o m p u t i n gm o d e lo ft h eb o xb e 锄t h r o u g hs i m u l a t i n gt h er e g u l a t i o n o fc e m e n th y d r a t i o no fc o n c r e t ea n dt h eb o u n d a r yc o n d i t i o n s ，a n a l y z i n gt h e t e m p e r a t u r ef i e l da n dc o m p a r i n gw i mt h et h e o r e t i c a lc u r v e t h em e t h o di sc e r t i f i e dt o b er e a s o n a b l ea n df e a s i b l e t h r o u g ht h ea n a l y s i s ，w ec a ng e taq u a n t i t a t i v e r e a l i z a t i o no ft h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no ft h eb o xb e a ms t e a mc u r i n g w i t ht h i s m e t h o di nb r i d g ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n ，w ec a na l s oe v a l u a t et h em a x i m u m t e m p e r a t u r ea n dt h et i m ew h e ni th a p p e n s ，w h i c hm a yb e u s e dt og u i d et h e c o n s t r u c t i o ni no r d e rt oi m p r o v et h eq u a l i t ya n de l f f 8 u r et h es a f e t yo f c o n s t r u c t i o n t h r o u 曲t h ea n a l o g u eo f t h r e e - d i m e n s i o n a lc o m p u t i n gm o d e lo f t h ec e m e n tb o x b e a ms t e a mc u r i n g , a n dt a k i n gt h er e s u l to ft e m p e r a t u r ev a l u e sa st h et e m p e r a t u r e l o a d i n g so ft h en e x ts t e pt oc a r r yo u tc o u p l ec o m p u t i n g ，w eg e tt h et h e r m a ls t r e s s a n do t h e rs o l u t i o n sn e e d e d ，w h i c hs o l v e st h ep r o b l = no ft e m p e r a t u r es t r e s s e x c e e d i n gl i m i t a n d 啪b eu s e da sr e f e r e n c ef o rt h ed e s i g na n dc o n s t r u c t i o n a tl a s t ，o nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i sr e s u l to ft h et e m p e r a t u r ef i e l da n dt h e t e m p e r a t u r es t r e s s ，t h et e m p e r a t u r ea u t o c o n t r o ls y s t e mi sd e v e l o p e df o rt h ec o n c r e t e b o xb e a ms t e a mc u r i n gb a s e do nt h ec o n f i g u r a t i o ns o f t w a r e ，m o n i t o r i n ga n d c o n t r o l l i n gt h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo ft h eb o xb e a md u r i n gs t e a mc u r i n g ，a n d m a k i n gs u r e t h a tt h et e m p e r a t u r es t r e s si sw i t h i nt h ea c c e p t a b l er a n g eo fv a l u e p r e v e n t i n ga n dc o n t r o l l i n gt h ed e v e l o p m e n to ft h ec o n c r e t ec o n s t r u c t i o nc r a c k i n g ， a b s t m c t m a k i n gt h ec o n c r e t es t e a mc u r i n gt e c h n o l o g ym o r em a t u r e ，c o m p l e t ea n dr e l i a b l e k e yw o r d s ：c o n c r e t e ，b o xg i r d e r , h e a to fh y d r a t i o n , s t e a mc u r i n g ，t e m p e r a t u r ef i e l d ， t h e r m a ls t r e s s , t e m p e r a t u r ec o n t r o l 独创性声明 本人声明所里交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得石家庄铁道学院或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 签名：趁塑堕日期：趔尘i 关于论文使用授权的说明 本人完全了解石家庄铁道学院有关保留、使用学位论文的规定， 即：学院有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅：学校 可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手 段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：趁盘红导师签名：期：三型! ! ：堡 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 混凝土密实成型后的养护是整个生产工艺的关键环节之，它对混凝土的 质量影响极大。目前养护工艺有标准养护、自然养护和加速养护等几种。标 准养护主要用于试验室中的养护试块。自然养护是我国使用较广的一种养护工 艺，但随着建筑施工工艺的发展，传统的自然葵护工艺已不能适应新工艺的要 求。为了缩短混凝士箱型梁的生产周期，提高台座的周转率，加速箱梁内部结 构的形成，获得“早强、快硬”的效果，人们已经致力于研究混凝土的快速养 护工艺。采用快速养护工艺对缩短养护时间，加速铜模周转具有很大的经济意 义。快速养护工艺有多种，主要有电热养护法、热气养护法、干热养护法、高 频电热养护法、红外线热养法、油热养护法、热拌热振混凝土法和蒸汽养护法 等方式l l l 。出于蒸汽具有含热量高、湿度大、生产和运输比较方便、成本较低， 在正确使用的情况下，混凝士的强度发展可得到很好促进的优点，所以蒸汽养 护成为最常用的一种养护方法f 1 卅，在大型工程施工中已逐渐被人们认可，尤其 是在施工循环周期受限制的工程中已初步尝试适用和探索。我国在南京长江第 二大桥北汉大桥、上海洋山深水港一期工程东海大桥、洋河公路桥等工程施工 及一些预制构件的生产中，对混凝土桥粱不同程度地使用了混凝土蒸汽养护技 术1 2 1 。据不完全统计，我国预制构僻约有3 5 采用蒸汽养护。国外已将计算枧控 制技术和先进的漠l 量技术应用到了混凝土制品的蒸汽养护过程中。经实践证明， 采用蒸汽养护技术，可以有效促进混凝土的强度增长，加快模型周转，缩短生 产周期，提高生产效率，有效保证施工进度。 混凝土制品蒸汽养护的实质就是在湿热介质作用下，引起混凝土。系列物 理、化学及力学变化，利用蒸汽在冷凝过程中释放出来的汽化潜热加速萁内部 结构的形成获得早强快硬的效果1 3 1 。在进行蒸汽养护时，混凝土制品与养护罩 内的湿热蒸汽以对流、传导等方式不断进行热交换。由于混凝士自身的物理特 性决定了它的热传导性能差、方向性差，这样在外界湿度条件发生变化时，直 接与外界发生热交换的构件温度改变快，间接构件要通过混凝土的热传导才能 第一章绪论 跟上这种变化。随着大跨度预应力混凝土箱粱的发展，混凝土箱粱板厚不断增 大，这种跟进过程表现出在时间上很大的滞后效应，而对构件而言，就形成了 温度梯度。即桥梁结构的各部分处于不同的温度状态，而这些温度状态的总和 就是该时间条件下的桥梁结构温度场。板式截面由于结构简单，板厚较小，温 度场均匀，温度梯度阀题基本可以忽略。肋粱式截丽的各个部分都是开放式的， 温度分布较简单。箱粱截面结构复杂，又有闭合截面特有的框架约束作用，温 度分布晟复杂。而且，混凝土箱梁一般跨度较大，为了提高承载力必然要加厚 腹板。这样厚腹板的热传导更慢，温度效应滞后更明最。 混凝土箱梁截面内的温度变化不但引起结构的变形，而且引起较大的温度 应力。混凝土结构由于这种温度荷载产生的应力，有时甚至比荷载产生的应力 还要大，有的预应力混凝桥梁还因此而发生严重损坏，给桥梁结构带来危害。 因此，几十年来，温度应力问题一直是混凝土工程结构的一个重大课题。在蒸 汽养护技术中，温度应力分析和温差控制是关系到混凝土质量的个主要因素， 为保证混凝土制品的养护质量，研究分析混凝主构件蒸汽养护对的温度场、温 度应力和进行温度控制成为必需。 1 2 温度应力对混凝土结构的影响 混凝土桥梁结构的开裂问题，一直是工程界最关心的课题之一，因为它的 出现涉及到结构外观的破损、钢筋的腐蚀及结构功能的丧失。引起混凝土结构 开裂的原因很多。其中，混凝土水化凝固过程中由于内外温差丽形成的温度荷 载和外界环境对混凝土桥梁结构的影响而形成的温度荷载，是混凝土桥梁结构 开裂的主要原因之一。混凝土的水化热引起温度变化的开裂和混凝土结构在周 围环境和太阳辐射的变化引起混凝土的温度荷载而引起的开裂，混凝土结构在 浇筑过程中和硬化过程中的温度场和湿差裂缝以及混凝士结构在运营阶段的温 度荷载以及产生的温度应力，一直是世界工程结构学者的研究对象。5 0 年代起， 国内外学者从对桥墩裂缝的现场调查分析中，认识至u 温度应力对混凝土结构的 重要性。随着混凝土空心高桥墩、冷却塔等混凝土结构的应用以及大跨度预应 力混凝土箱形桥梁的发展，温度应力对这些结构的影响和危害，越来越引起工 程界的重视和研究。6 0 年代以来，国内外都发现由于温度应力而导致混凝土结 构严重裂损的事故。例如，e m b o r g 和b e m a n d e r 对早期温度应力和温度应力进 第一章绪论 行了很多实验；m i r a m b e l l 进行了箱式梁的混凝土桥的溢度和应力分布分析，做 出了横断面的温度影响和应力重分布曲线；德国j a g s t 桥的厚腹板箱梁在通车第 五年发现了严重裂缝，估算温度拉应力高达2 6m p a ；美国c h a m p i g n y 箱形梁 桥f 1 照温差拉应力高达3 9 2m p a ：f r i t z l e o n h a r d t 在对德国几座预应力混凝土箱 形梁桥发生严重裂缝的情况进行现场试验观测和理论研究后提出：预应力混凝 土箱形梁桥大都西温度应力而损害，这说明温度应力已成为危险因素“。国内， 早在2 0 世纪5 0 年代，王铁梦、朱伯芳等人已经进行了大量的温度应力和裂缝 控制的实验研究 湖北光化大桥箱粱顶板底面有明显的纵商裂缝( 1 9 8 4 年调查发 现) ，其顶板的温度拉应力高达2 7m p a 芜潮过江电缆塔、通惠河连续箱粱、 九江长江大桥引耩4 0m 箱粱、漓江二桥箱梁等也都发生了裂缝。这些裂缝的出 现与设计中没有充分考虑温度应力有密切关系。 长期以来，预应力混凝土结构中的大部分裂缝并非荷载应力引起的，丽是 由温度等其它因素引起的局部应力和约束应力所致，丽温度应力是一主要因索。 1 3 国内外研究现状 1 3 1 温度应力研究现状 温度场及温度应力对混凝土结构的可靠度具有熏要的意义。近三十年来， 国内外学者对混凝土结构的温度应力问题作了大量的研究工作，进行= r 一系列 现场试验观测和理论研究”j 。国外，首先是f r i t zl e o n h a r d t 对德国几座预应力混 凝土箱梁桥发生严重裂缝的情况进行了分析，提出了横向溢度应力估计值，认 为温度应力是预应力箱梁发生裂缝的主要原因：新西兰的m j n p r i e s f l e y 分析了 由垂直温度梯度引起的纵向温度应力；英图的d ，a s t e p h e n s o n 分析了柔性柱体 的温度应力问题，使温度应力有了明确进展。国内对混凝结构温度分布与温 度应力的试验研究起步于5 0 年代末。铁道部第四勘测设计院对薄壁空心高桥墩 的日照温度应力问题进行了初步研究；6 0 年代中期，铁道部科学研究院西南研 究所首次测定了混凝土结构的温度分布，证实了在空心桥墩中存在相当大的温 差：7 0 年代中期，铁道部第四勘测设计院对钢筋混凝士圆形空心桥墩的日照温 度应力进行了分析；随着大跨度棍凝土箱形桥梁的兴建，如红水河铁路斜拉桥、 九江长江大桥引桥4 0 m 简支箱粱等，温度应力的研究试验工作由桥墩结构转向 一3 一 第一章绪论 桥跨结构；铁道科研院于1 9 7 8 年建立的混凝土桥梁温度应力研究小组莳先结合 红水河铁路斜拉桥进行预应力混凝土箱粱的温度分布与温度应力的现场观测与 试验工作，随后又在九江长江大桥引桥的4 0 m 预应力混凝土箱粱进行丁试验研 究工作；湖南省交通科学研究所对混凝土双拱桥的温度分布和温度应力进行了 研究。通过研究，基本解决了混凝土桥梁的温度载荷与温度应力的理论计算问 题。 长期以来，在混凝土温度应力分析方面，国内外的研究主要致力于置于自 然环境中的混凝土结构在受到太阳辐射、夜间降温、季节气温变化、寒流、风、 阿、雪等多种外界因素的影响下的温度应力分析，而对混凝土蒸汽养护过程中 的温度应力方面的研究涉及很少。 1 3 2 混凝土燕养的温度控制研究现状 采用蒸汽养护技术预制混凝土箱粱可以提高梁的品质，缩短施工周期，该 技术的难点在于严格、准确、实时地控制温度变化。目前，在国内的混凝士构 件蒸汽养护中，一般沿用传统的手工控制方法，每间隔一定时间让人进入莽护 室对养护温度和湿度进行测量，然后人为对温度和湿度进行调节控制，很难保 证蒸汽养护过程中各个阶段对温度准确性和精确性的要求，如果控制的不合理 还会对梁的养护质量造成一定的损伤，温度控制精度低且降温速率难以控制。 鉴于上述情况，常洲建筑构件厂1 9 8 8 年对三只新建的养护池采用微机实行程序 自动控制1 5 。】，但并为得到广泛的推广应用。总体来说，我嗣的混凝土蒸汽养护 中的温度控制技术应用还处在一个较低的水平。设备筒黼，温控粗放，存在质 量不稳定，养护周期长，耗汽量多，劳动强度大等缺点。另外，在国内其它一 些混凝土构件的蒸汽养护中，一些专家也提出了温度自动控制系统，但到目前 为止仍未得到广泛的推广应用。大部分构件在生产、施工中仍采用手工操作控 制的方法，控制精度低。 1 4 温度载荷的计算方法 分析混凝土结构的温度应力前应先研究确定混凝土结构的溺度场，即进行 温度载荷分析。分析结构的温度载荷的计算方法，一般有以下三种类型：一是 第一章绪论 建立热传导微分方程，并进行求解；二是近似数值解法；三是对不同形状不同 地区魄混凝士结构在不同的气嫉条件下截面各点的温度进行实测，在此基础上 建立工程实用的经验计算公式。 14 1f o u r i e r 热传导方程求解 采用f o u r i e r 热传导方程求解，首先建立热传导方程，然后考虑导热系数、 热交换系数，建立边界条件，进行简化，然后进行求解。但这一计算方法较复 杂，且混凝土的热工参数较难选择，故一般很难使用。 1 4 2 半经验半理论公式 用f o u r i e r 热传导微分方程来求解确定混凝土结构的温度场在工程实际中应 用总不是简便，因为，计算溢度应力时，需要绘出控制时刻温度场的函数式， 并导出一目了然的温度分布与应力关系。因此，有必要寻找一种可供设计计算 用的简明方法，来确定控制时刻的温度分布。这种方法就是，从现场实测数据 出发，考虑影响控制温度的主要因素，用数理统计的方法，建立控制时刻温度 场计算的经验公式的方法。用这种方法建立的控制时亥g 溢度场计算公式，即为 半经验半理论公式。 2 0 世纪5 0 年代初，前苏联学者什克罗维尔提出了混凝士结构表面温度公式， 即所谓什克罗维尔公式。但该公式物理概念不明确，引入材料热工参数较多， 计算较繁。7 0 年代中后期，铁道部第四勘测设计院提出了圆形钢筋混凝土水塔 外表面温度的公式。此公式比什克罗维尔公式改进了一步，它不仅能计算最大 值，而且可以计算各时刻的外表面温度。但该公式中的参数口为定值，不定 适应各种具体的气候条件，丽且误差较大，一般在4 左右，最大可达1 1 。5 。 8 0 年代，上海铁道学院等在对郭溪桥柔性桥墩溢度场的试验研究中，提出了墩 壁外表面在太阳辐射下的温度计算公式；铁道部第四勘测设计院在圆形钢筋混 凝土水塔实测数据的基础上，提出了墩黩内部湿度的计算公式；铁道都西南研 究所刘兴法在红水河斜拉桥预应力混凝土箱粱和九江长江大桥引桥简支箱粱的 温度场观测的资料上提出了混凝土结构顶面( 水平向阳板顶面) 、背阳板内部表 面及垂直壁板表面的温度计算公式。下面介绍误差相对较小的刘兴法公式。 第一章绪论 ( 1 ) 混凝士结构物表面温度计算公式l l 混凝土结构顶面( 水平向阳板顶面) 的温度计算公式： t = r + k i s + k ，a tf 1 1 1 式中，7 1 混凝土结构顶面的温度； t 一翻初始温度； a t 目气温差； 墨、k ，两个系数，k 。= 1 5 2 ，k ，= o 2 6 。 背阳板内部表面的温度计算公式： = 7 1 + 2 k( i - 2 ) 式中，瓦背阳板内部表薅温度： k 结构物距地殛高度系数。 垂直壁扳表面的温度计算公式： l = r + 1 8 瓯( 1 3 ) 黾= s c o t h c o s ( a , - ( z 。)( 1 - 4 ) 式中，s 腹板表面目最大总辐射达到时刻的相应水平碌上日辐射强度； h 腹板表面日最大总辐射达到时刻的高角度； a 。一一相应时刻的太阳方位角； 口。垂直壁板方位角。 ( 2 ) 混凝土结构物内部淦度计算公式 实测数据表明，在日照升温和骤然降温的情况下，控制肘刻的温度分布的 基本形式都是指数型曲线，这与一维半无跟厚扳，在周期性热的作用下溻度分 布的包络线的型式是一致的。因此，在工程实践中，英国韵d a s t e p h e n s o n 、新 西兰的m j n p r i e s t l a y 、铁道部科学研究院西南研究所的支f j 兴法等，均采用 丁( x ) = 4 l p 4 来表示沿板厚或壁厚方向的温度分布，c 为试验参数，cz1 0 ( x 以 m 计) ，4 为表箍温度的波幅，根据以前的分析，由于箱粱底板和中腹板的温度 在一天中几乎不变，故鼻亦近视为内外表面冉冬温差。 采用半经验半理论公式来分析混凝士结构表掰和内部的温度分布问题虽然 形式简单，应用方便，但由于半经验半理论公式在建立中为了简化忽略了好多 次要的影响因素，只计入控制温度荷载的主要影响因紊，因此，采用半经验半 理论公式总避免不了存在一定的误差。 6 第一章绪 论 1 4 2 近似数值分析法 近似数值分析法分为有限差分法和有限单元法两种。 有限单元法归纳并总结了古典近似计算方法的优点；它吸收了有限差分法 中离散处理的特点，又继承了变分计算中选择试探函数，并对区域积分的合理 方法。在有限元法中，试探函数的定义和积“分计算范围，不是整个结构区域， 而是从区域中按实际需要划分出来的基本单元。这就解决了古典变分法计算中- 因不作离散处理而不能求解复杂问题的缺点。在有限单元法中，由于对单元做 了积分计算，就充分估计了单元对节点参数的作用，从而克服了有限差分法中 不考虑单元所起作用的缺点，使得这种近似计算方法更加完善。 有限单元法不局限于规则的差分网格，不只是考虑节点的作用，而且考虑 了单元的作用以及单元对整体的贡献。因此有限单元法其有很大的灵活性和适 应性，可用于任意形状的结构热传导问题的分析。 1 5 研究意义 混凝土结构的温度载荷以及引起的温度应力对箱形桥梁而言是一个比较危 险的因素，温度载荷的梭算是混凝土结构设计的项重要内容，否则混凝土结 构在运营刚度和使用条件等方面，不能满足设计要求，甚至不能保证安全。所 以，对混凝二匕箱粱结构的温度问题的研究显褥尤为重要。目前，国内外学者对 混凝土箱梁在施工运营阶段受日照、季节气温变化、寒流、风、雨、雪等多种 外界因素的影响下的温度应力和各种桥梁由于承化热引起的温度应力傲了广泛 研究。通过国内外学者对混凝土的温度载荷和温度应力的广泛研究以及各国规 范的研究，可知在我国现行的公路桥梁规范中简单给出了t 形截面梁、箱形粱 的简单r 照温差分布图、温度应力分布图，现行的铁路轿涵给出了混凝土箱梁 沿梁宽和梁高方向的温度分布。这对研究混凝土结构在环境中引起的温度场和 温度应力分析具有很重要的意义。但是，随着混凝桥梁桥型不断求新，混凝 土箱形梁悬臂翼缘板的加长和截面的不断变化，近几年来，蒸汽养护技术在大 型工程施工中广泛被采用，尤其在施工循环周期受限制韵工程的实际施工中更 是充分体现出它的优越性。虽然蒸汽养护缩短了施工周期，保证了施工效率， 但混凝土箱梁的养护质量保证仍是一个尚待研究的问题。保证混凝土箱梁养护 第一章绪 论 质量的关键技术就是控制好混凝土的养护温差和温度应力，这就需要我们进行 混凝t 箱梁在蒸汽养护时的温度场分析，确定混凝土箱梁的温度场分布情况和 温度应力分布，为混凝土箱梁蒸汽养护的温度控制提供依据，从而保证澹凝士 的养护质量。因此，进行混凝土箱粱在蒸汽养护中的温度场分析和温度应力研 究是有必要的。 本论文现结合“京沪高速铁路客运专线的梁场建设”项目，用大型有限元 分析软件a n s y s 和数值模拟仿真技术，建立特定的新型3 2m 混凝土箱梁的实 体模型，进行混凝士箱粱在蒸汽养护过程中的温度场研究，既是方法上的创新， 又有很重要的现实意义。通过研究，我们还可以同时进行以下的研究工作： ( 1 ) 针对目前蒸汽养护工艺存在的问题和缺陷提出耨工艺、新设备，完善现 有工艺和设备。 ( 2 ) 分析预测混凝箱梁在蒸汽养护过程中的温度场分布，为蒸汽养护的温 度控制提出依据； ( 3 ) 确定结构的温度应力分布，为温度裂缝控制提供措施。 1 6 论文所要做的工作 本论文主要的研究工作奇以下几个方面： ( 1 ) 在综合研究国内外现有蒸汽养护工艺的情况下，针对当前蒸汽养护工艺 存在的缺陷和不足，提出新设备和新工艺，解决现有问题。 ( 2 ) 理解和掌握与混凝土箱梁截面温度效应相关豹热工理论和数学知识，并 掌握混凝土箱梁温度场豹理论分析方法。 ( 3 ) 建立混凝土箱梁的热传导方程和边界条件，并讨论混凝土的几个关键热 物理参数的影噙因索，在综合考虑各因素的情况下确定混凝土热工参数和边界 条件。 ( 4 ) 对混凝土箱梁实体进杼简化，利用大型有限元计算分析软件a n s y s ，建 立混凝土箱梁梁段的有限元实体模型，计算混凝箱梁在蒸汽养护过程中由于 混凝土自身特性和外部边界条件变化引起的温度场，讨论影响水化热温度场的 相关因素，以指导施工。 ( 5 ) 根据温度场分析结果，将计算得到的温度值作为温度荷载加在结构模型 1 - _ ，运用耦合方法近似模拟物体的温度应力，并对桥的温度效应进行r 理论计 8 第一章绪论 算。根据温度应力有关计算分析结果，指出结构易出现温度裂缝的部位，并提 出裂缝的几点预防和补救措施，以保证施工过程中的安全。 ( 6 ) 通过对混凝土箱粱结构的温度场分析和温度应力的研究，提出蒸汽养护 温差控制措施，设计一套简单可靠而又易于操作的温度自动控制系统。 9 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 为确定混凝士箱粱结构的温度场，进行结构的温度应力分析，这就必须应 用有限单元法，通过传热学有关知识确定混凝土箱梁结构的热物理参数、表面 放热参数、水化生成热以及结构的初始条件和边界条件。 2 1 温度场的概念 温度场是某一瞬间物体中各点温度分布的总称。一般来说，温度场是空闻 坐标和时间的函数，在直角坐标中可表示为 江f ( x ，y ，= ，f ) ( 2 - 1 ) 温度场分为两大类：温度不随时间变化的稳态温度场和温度随时问变化的 非稳态温度场。 2 2 导热微分方程和边值条件 2 2 1 导热微分方程 把混凝土看成一均匀各向同性体，从中取出一微元体a b c d a b c d ，微元 体的各个边长分别为d x 、d y 、d z ，如图2 l 所示。 根据傅立叶定律u 2 。”，在d f 从x 方向 自a b c d 面导入微元体的热量为 q ：一, t o f d # d f ( 2 - 2 ) 聃 式中，卜微元体内温度( ) ： 一一导热系数( w ( m ) 1 ) 。 同一时刻从一b c d 面导出微元体的 热量为q x + d x 。o c 是x 的函数，并在x 至 一1 0 图2 1 微元体示意图 枣 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 x + d x 区间内连续司徽，将它展开为黍勒级数，忽略鬲次i 贝，只近似地嘏前两i 负 得 q + 。：q + 孥如：一五娑妙出d r 一 蜜出妙出d f ( 2 - 3 ) d xa x d r 时间内沿x 方向导入的净热量为 d q j = g 蛾一窘蛐捌r ( 2 4 ) 同理可得到d r 时间内在y 方向及z 方向的挣热量分别为 嗡= 五害出删z纷a 窘蝴d z ( 2 - 5 ) 导入与导出该微元体的总净热量为 d q = d q + 唱+ d 绞叫窘+ 窘+ 窘) 蛐龇 ( 2 - 6 ) 在d r 时间内该徼元体温度升高吸收的热量为肛_ o t d x d y d z d f ，水化热所产 生的热量为g 。出d ) 也d r ，单位为w m 一。根据热平衡原理，令口：l 为导温系数， m 2 s 一。导热微分方程可化简为式( 2 7 ) 。 o t a ，叫窘+ 窘+ 窘) + 亳 协， a f 钳萨+ 矿+ 可汁荔 “ 式中，t 温度( x 2 ) ： r 时间( h ) ； 五一导热系数( w ( m ) 。) ： c 比热容( 1 ( j ( 1 c g ) 1 ； p 密度( k g 瑚p ) 。 沿混凝土箱粱轴线方向的温度变化很小，可以简化威二维传热问题。因此， 热传导方程可以简化为式f 2 8 ) 。 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 22 2 边值条件 争口t 窘+ 可8 2 t ，+ 卺瓦2 口萨+ 可) + 盖 ( 2 - 8 ) 导热方程建立了物体的温度和时间、空间的一般关系，要根据导热微分方 程确定结构的温度场，还必须知道导热微分方程的定解条件，即物体的边界条 件和初始条件。初始条件为物体内部初始瞬时温度场的分布规律【h 。6 1 。边界条 件包括周围介质与结构表面祖互作用的规律及物体的几何形状。 ( 1 ) 初始条件：一般初始瞬时的温度分布可以认为是均匀的，即 r l 。= 瓦( 常数) ( 2 9 ) 式中，咒物体初始温度( ) 。 ( 2 ) 边界条件：边界条件可以用以下四种方式给出。 第一类边界条件：已知结构边界面上的温度是时间的已知函数，即： 砘= l 或t i ，= 厂( t y ，f ) ( 2 - l o ) 式中，f 物体边界，其方向为逆对钵方向： 咒已知壁面温度( ) ； u ，b ，y ，r 卜_ 已知壁面温度函数( 随时问位置而变) 。 第二类边界条件：结构表面上的热热漉量是对闻的已知函数，即： 一五刭或一卫粤叫训，f ) ( 2 - j 1 ) 瑚 ro n l ， 式中，q ：已知壁面热流密度( w - 1 1 1 2 ) ； g ( x ，y ，r ) 已知热流密度函数。 第三类边界条件：结构与空气接触时，气温l 和对流换热系数a 已知， 即 。飘叫卜。) q p 1 2 ) 式中，口表面总放热系数，考虑对流与辐射的综合热交换( m 2 - s 。) ； 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 了，蔽阳处气温( ) 。 第四种边界条件：当两种不同的固体接触时，接触良好，则在接触 面上的温度和热流量都是连续的，即 正= 瓦1 一 票一：婴o n 佗。3 佣i 2 3 温度场有限元法 导热微分方程和边值条件提供了导热问题的完整数学模型，用适当的方法 求解，即可得到物体内的温度场。有限单元法是目前运用研究结构的温度梯度 模式的一种最为广泛的方法，其计算精度可随单元划分来控制，且充分利用计 算枫资源，是种极易推广、效率极高的方法。本论文结合3 2m 混凝土箱粱的 断面结构，运用有限单元法进行温度场计算，并与理论数值进行比较，得出结 论。 23 1 平面温度场有限无法 ( 1 ) 基本方程的推导嘲。 温度场有限元法计算的基本方程可以从泛函变分求得，也可从微分方程出 发用权余法求得，本论文采用后者。在权余法中，伽辽金法和最小二乘法都能 得到良好的结果，但伽辽会法能得到与泛函变分结果相围的计算公式，所以伽 辽金法得到最广泛的应用。 对应于平面温度场的微分方程为 啦y ，f ) 】= 0 警芬卜一班詈= 。 ( 2 - 1 4 ) 取试探函数t ( x ，y ，) = t ( x ，y ，t ，7 ；，正，) ( 2 - 1 5 ) 式中，7 ：，五，l 为 个待定系数。 将( 2 15 ) 式代入( 2 1 4 ) 式，可得 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 f c 啊lt c 警+ 等m 。肛鲁l 蛐= 。c 工，”， p ，s ， lj 式中，d 为平面温度场的定义域。 根据伽辽金法对权函数的定义，可以写出 孵= 羔 ( f _ 1 ，2 ，聍)( 2 - 1 7 ) 0 1 ， 为了书写方便，在以后的推导中，丁都用7 代替。 试探函数r 并未满足边界条件的，可以弓l 用数学中格林公式解决这个问题。 格林公式把区域内的积分与边界上的线积分联系了起来，从丽在相应的边界条 件中满足微分方程。则式犯一1 6 ) 变为 筹= 叫t c l 警豢+ 警茜卜吼彤+ 彤詈l 如妙一辱k 彬詈出 ( ，= l ，2 ，h )( 2 一1 8 ) ( 2 1 8 ) 式就是平面温度场有限元计算的基本公式。 ( 2 ) 单元剖分和温度场的离散。 直接求解( 2 1 8 ) 式对于复杂形状和复杂边界条件豹超题仍然是困难的，使得 此式的实际应用受到限制。所以有限元法把区域d 剖分成e 个单元和”个节点， 并把连续的温度场离散到”个节点上去，最后求解各节点上的温度。 在各种类型的单元剖分中，以三角形单元最为简单实用，但糟度较差。所 以在形状和函数值变化较大之处，单元必须密集；反之，单元可以稀疏。区域 剖分成单元后，式( 2 1 8 ) 就可以在三角形单元的范匿内积分。由于单元划分得较 小，其中的温度分布也就显得简单，甚至近似地可用线性分布来表示。 根据式( 2 1 8 ) ，写出单元内的积分式是 筹= j f 钆( 一。i o w , i o t + 可o w 矽o t 吨彬+ 肛铡蛐一f k 啦鲁出 ( f = f ，j ，掰) ( 2 1 9 ) 式中，e 表示三角形单元；f 、j ，所为三角形单元的三顶点；加为落在物体边界上 1 4 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 的单元的一一条边。如果是内部单元，则线积分项等于零。 显然，把各个单元的积分值总加起来，就得到总体区域的积分值，即 等：塞等：o ( 川，2 ，朋( 2 - 2 0 ) 弼鲁明 、 ( 3 ) 内部单元的积分计算。 单元积分计算是从( 2 1 9 ) 式出发，并代入权函数的温度插值函数，对于内部 单元，因不受边界条件的赢接约束，所以线积分硕可删去，从而式( 2 1 9 ) t f f 简化 筹= 删七c i a w , 面a t + 警雾h ，影+ 伊彬罾卜妙 ( ，= f ， m ) ( 2 - 2 1 ) 写成矩阵形式 a ，。 a t , a ，。 a r a ，。 o l ft k v = io l k 。 剐z n i i 乏1 瓦jl 。”。， a r a 够 岔 0 t a f 只 一ip ， ( 2 2 2 ) k j 式中， k t i = 声( 砰+ 砰) ，k o = 声( 砖+ e ) k 。= 妒( 6 三+ c ：) ，屯= 屯= 妒( 包屯+ q c ，) _ k = k ，= 妒 屯+ c j c 卅) ，= = 妒( k 6 j + c 肿q ) p c a r 训w3 。i ； p c a 嘞2 2 2 。啊一2 2 育。 只= 乃2 “2 芋加志。 又可简写为 尉书m 卜斜七j 。 ( 2 z ，) 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 丽对于几种边界条件，对相应的线积分作适当的处理，同样也可得到矩阵式。 ( 4 ) 有限单元法的总体合成。 有限元法的计算最终结果是要求出域d 中的温度分布，先把域d 剖分成有 限个三角形以及”个节点，并把温度场离散到”个节点上，再把单元对总体的贡 献综合起来，最终将 个节点上的温度值求出来。对于同一单元中的相邻节点， 在合成时会对该节点方程的系数值有所“贡献”。而不在同一单元中的其余订点 就不会有所“贡献”，这是总体合成的关键。 如果对h 个节点都写成矩阵的形式，则得 或简写成 8 互i 百 p ， ! l - i j l ( 2 2 4 ) 盟li n j 研l ， p q m 【】鼢- p ( 2 - 2 5 ) 式中【k 】称为稳态温度场的系数矩阵；f 州称为非稳态温度场的系数矩阵； p 称为等式右端项由已知值组成的列项量；下标r 表示这些列项量都取同一个， 时刻的值。 23 2 温度场有限元法的求解 用有限元法对混凝土结构的温度场进行求解最后归结为一个线牲方程组的 求解。线性方程组的求解有迭代法和直接法两种。迭代法节省内存单元，但耗 用机时太多；直接法耗用机时少，但占用内存单元较多。对于有限元法得到的 系数矩阵具有对称正定稀疏的特点，如果节点编号恰当，并采用矩阵元素一维 压缩排列的方法，则多占内存单元的矛盾就大大缓和，使得壹接法成为一种广 泛采用的方法。直接法与迭代法相比有更强的技巧性，所以本论文采用直接法 对温度场进行求解。 2 4 热物理参数的确定 混凝土的热物理参数包括比热、导热系数、导温系数、热扩散系数等。影 1 6 ，l，体 ，。l + 1，i_ 巧；瓦 ，l ，k ；k 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 响混凝土的热物理参数的主要因素是：混凝土的含水率、密度、温度以及水灰 比、骨料种类和用量、龄期f 7 1 等。 2 4 ，1 导热系数的选取 导热系数又称导热率，是混凝土材料最重要的种热物理性能。混凝士导 热系数的影响因素很多。混凝土集料的品种及其用量、周围介质的温度、混凝 的密度及其含水率等对它都有很大影响。 ( 1 ) 集料品种 从定量方面分析，集料品种对混凝土导热系数的影响较大。采用不同的种 类骨料组成的混凝土。它的导热系数有明显差别。不同集料品种对混凝土导热 系数的影响见表2 - - 1 。 表2 - 1不罔品种集料混凝主的导热系数 ( 2 ) 含水率的关系 由于空气的导热系数非常小，仅为o 0 2 6 w ( m ) l ，约为水的导热系数o 6 1 w ( m ) 1 的1 2 5 ，所以处于干燥状态的混凝士导热系数比混凝土在含水状态时 小，约为后者的0 6 ，o 7 倍，不同含水率对普通混凝土导热系数的影响见表2 - 2 。 表2 - 2 不同含水率对普通潼凝导热系数的影响 事实上，由于水分的渗入，代替了相当部分空气，使其附加了水蒸汽的 扩散热量和液态水所传导的热量，使其导热系数增大。一般材料处于潮湿状态 下的导热系数与干材料的导热系数之间有如下关系。 丸= 厶+ j ( 2 - 2 6 ) 一1 7 第二章温度场有限单元法及热物理参数的确定 式中，五。含水率为w 时的导热系数( w - ( m k ) 。) ； 也干材料的导热系数( w ( m k ) 。1 ) ； k 系数，可通过试验确定，亦可近似的取k ，= o 0 0 5 ： 材料的含水率。 在工程实际使用中，材料通常都舍有一定水分，在计算时要考虑由于含水 率增加，使材料的导热系数增大的因素，一般在正常含水率情况下。 ( 3 ) 与温度的关系 材料的导热系数一般是随着温度的增高而增大。这是出于温度增高时，分 子热运动加剧，孔隙的辐射热也增强，促成材料导热系数增大。通常在一定范 围内，大多数建筑材料可近似地认为温度和导热系数呈如下公式( 2 。2 7 ) 的线性函 数关系： = 丑14 - k 2 ( f f 1 ) ( 2 - 2 7