（水利工程专业论文）南京市外秦淮河三汊河口闸底板混凝土温度裂缝控制研究.pdf

摘要 近代科学关于混凝土强度的细观研究以及大量工程实践所提供的经验都说明，水 工建筑物由于其特殊的结构、环境和地质条件，结构物的裂缝是不可避免的，但是采 用切实有效的综合防裂措施，其有害程度是可以控制的。本文结合南京市秦淮河整治 工程的重点项目三汉河口闸工程，用a n s y s 软件，对该闸底板施工期的温度场和 温度应力进行有限元分析。论文主要的研究工作如下： l 、介绍大体积混凝土温度裂缝控制的研究目的和意义，国内外大体积混凝土温 度裂缝控制问题的研究概况和温度裂缝控问题的研究方法。 2 、分析了混凝土温度裂缝的特点和产生原因，阐述温度变化过程和温度应力的 发展及预防裂缝的措施。 3 、研究混凝土温度场、温度应力的有限元计算理论。具体介绍了混凝土的热学 性能，包括水泥水化热、绝热升温和非稳定温度场的平衡方程；重点阐述了非稳定温 度场的有限元计算和水管冷却温控措施的理论知识。 4 、运用a n s y s 软件，对三汊河口闸底板整体浇筑施工期的温度场和温度应力进 行了仿真计算。计算考虑的因素主要有水泥水化热、表面的保温措施、外界气温的变 化、水管冷却和膨胀剂u 卧等。通过仿真分析，较精确地确定闸底板施工期容易产生 裂缝的位置，比较分析掺与不掺膨胀剂u e a ，为确定合理的施工方案和温度控制措施 提供科学的理论依据。 本文的研究成果为大体积混凝土施工期的温控防裂问题，特别是旌工期采用水管 冷却防裂措施和混凝土掺合膨胀剂u e a 防裂措旌提供了有效参考。 关键词：大体积混凝土、有限元仿真分析、水管冷却、温度应力、u e a a b s t r a c t i th a sb e e np r o v e db yr e s e a r c ha b o u tm i c r or e s e a r c ho f c o n c r e t es t r e n g t ha n dag r e a td e a l o fe n g i n e e r i n ge x p e r i e n c ei nm o d e r ns c i e n c et h a tc r a c k si nh y d r a u l i cs t r u c t u r e si si n e v i t a b l e d u et ot h e i rs p e c i a lc o n f i g u r a t i o n ，e n v i r o n m e n ta n d g e o l o g i c a lc o n d i t i o n s b u tt h ef a t a l n e s s c a l lb ec o n t r o l l e di fp r a c t i c a la n de f f e c t i v ec o m p r e h e n s i v en l e a s n 船o fc r a c k i n gp r e v e n t i o na r e a d o p t e d 1 1 1 ep a p e ri sm a i n l ya b o u ts a n c h ae n g i n e e r i n g t h ek e ye n g i n e e r i n go f q i n h u a ir i v e r a n dt h et e m p e r a t u r ef i e l da n d 岬t u r es t r e s so fi t ss h i pl o c kf l o o ra r ea n a l y z e dd u r i n g c o n s t r u c t i o nw i t ha n s y s t h em a i nc o n t e n t so f t h i sp a p e ra r el i s t e da sf o l l o w i n g ： ( 1 ) t h ei m p o r t a n tr e s e a r c hs i g n i f i c a n c ea n dp u r p o s ea r ei n t r o d u c e d ，a sw e l la sg e n e r a l d e v e l o p m e n ta n dt e m p e r a t u r ec r a c kc o n t r o lo f m a s sc o n c r e t ei na n da b r o a d ( 2 ) t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n dr e a s o n so fc o n c r e t et e m p e r a t u r ec r a c ka r ea n a l y z e d t h e p r o c e s so ft e m p e r a t u r et r a n s f o r m a t i o n ，t h ed e v e l o p m e n to ft e m p e r a t u r es t r e s sa n dt h e m e a s u r e so f p r e v e n t i n gc r a c k sa r ee x p o u n d e d ( 3 ) i ti se x p o u n d e di nd e t a i la b o u tt h ea n s y sp r i n c i p l eo ft e m p e r a t u r ef i e l da n d t e m p e r a t u r es t r e s so f m a s sc o n c r e t e ，a sw e l la sc a l o r i f i cc a p a b i l i t yi n c l u d i n gh e a th y d r a t i o n o fc e m e n t ，a d i a b a t i ch e a t i n ga n de q u a t i o no ft r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d t e m p e r a t u r e c o n t r o lm e a s u r ea b o u tp i p ec o o l i n ga n df e mc a l c u l a t i n ga b o u tt r a n s i e n tt e m p e r a t u r ef i e l d a r ee x p a t i a t e d ( 4 ) i ti sa n a l y z e dw i t ha n s y sa b o u tt h et e m p e r a t u r ef i e l d sa n dt e m p e r a t u r es t r e s so f c o n c r e t es h i pl o c kf l o o ri ns a n c h ar i v e rd u r i n gi n t e g e rm o l d i n gc o n s t r u c t i o nw i t ha n s y s t h e r ea r es o m ef a c t o r sm a i n l yc o n s i d e r e ds u c ha sh e a th y d r a t i o no fc e m e n t ，e x t e r i o rh e a t p r e s e r v a t i o nm e a s u r e ，i n f l u e n c eo f t e m p e r a t u r ec h a n g e ，p i p ec o o l i n g ，i n f l a t i o n ( u e a ) a n d s oo n ri sm o r ea c c u r a t et of i xo nt h ep o s i t i o n sw h e r ec r a c k se a s i l yt a k ep l a c ed u r i n g c o n s t r u c t i o nb ys i m u l a t i o n a n a l y s i s 1 1 1 ec o n s t r u c t i o ns c h e m eo fc o n s t r u c t i o na n d t e m p e r a t u r ec o n t r o lc a nb eo p t i m i z e db yc o n t r a s t i n gt h er e s u l t sw i t ha n dw i t hn om i x t u r e t h ep a p e rp r o v i d e se f f e c t i v er e f e r e n c ef o rt e m p e r a t u r ec r a c kp r e v e n t i o no fm a s s c o n c r e t ed u r i n gc o n s t r u c t i o n ，e s p e c i a l l yt h em e a s u r e so fc r a c kp r e v e n t i o nu s i n gp i p e c o o l i n ga n dw i t hu e a k e y w o r d s ：m a s sc o n c r e t e ，f e ms i m u l a t i o na n a l y s i s ，p i p ec o o l i n g , t e m p e r a t u r es t r e s s ， u e a 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位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。与我一同工作的同事 对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 2 0 0 7 年6 月1 0 日 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期刊 ( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电子文 档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被 查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河海大学研究 生院办理。 论文作者( 签名) ：2 0 0 7 年6 月l o 日 河海大学工程硕l 学位论文 1 1 问题的提出 第一章绪论 在高强度大体积混凝土中，水泥的用量较大，水泥熟化时放出的大量热量，使其 内部温度升高，混凝土体积增大；在温度降低后，混凝土的体积缩小，从而使混凝土 内部应力产生很大的变化，在由压应力转变为拉应力的过程中，由于混凝土的抗拉强 度比较低，常常导致混凝土的开裂“1 。 南京市外秦淮河三汉河口闸位于江苏省南京市秦淮河东支流三汉河口入长江处。 其主要功能是非汛期关闸蓄水，抬高外秦淮河水位，解决枯水期外秦淮河水很低，甚 至干涸的问题，同时形成亲水景观改善城市水环境和城市形象，汛期正常行洪，是一 项集景观型、功能型的水利工程。秦淮河整治工程三汉河口闸底板为现场浇筑的钢筋 混凝土结构，底板厚度2 5 m 、单块浇筑顺水流方向长度3 7 m ，垂直水流方向长度4 8 5 m 、 混凝土标号为c 3 0 ；地基为软土，底板下设有9 6 根灌注桩，桩间距3 m ，桩长5 4 m ， 桩基分布在底板两侧。原计划每块底板分三个浇筑块施工，分块之h j 设两条后浇带， 使单块浇筑尺寸降低到3 7 m 1 5 5 m ，为了缩短工期，经专家会议研究决定改用整体 浇筑方案，混凝土外掺u e a 膨胀剂补偿降温收缩，减小温度应力。根据近年来类似水 利工程建设的经验，施工期混凝土极易出现开裂现象。该工程为南京市秦淮河整治工 程的重点项目，业主、施工单位、设计单位对混凝土的防裂、抗裂问题特别重视，为 了最大限度地避免裂缝出现或者少出现裂缝，施工单位委托河海大学对该工程进行施 工期温度场和温度应力仿真分析。并计划在仿真分析的基础上召开有关专家研讨会， 确定优化的施工方案，以减少或避免温度裂缝的发生。 论文用a n s y s 软件对该工程的温度场和温度应力进行了仿真分析。 1 2 水工混凝土裂缝研究的意义和目的 混凝土坝的建造始于2 0 世纪初叶。由于混凝土是脆性材料，其抗拉强度远小于抗 压强度，在建造混凝土坝时，如何防止裂缝始终是一个问题。大体积混凝土水工结构， 如大坝、船闸、抽水站、节制闸等，体积大、结构形式复杂。混凝土浇筑后，由于水 泥在水化凝结过程中，要散发大量的水化热，因而使混凝土体积膨胀，待达到最高温 度以后，随着热量向外部介质散发，温度将由最高温度降至一个稳定温度或稳定温度 场，将产生一个温差。如果浇筑温度大于稳定温度( 或准稳定温度场) ，这个温差就 更大，这时，混凝土因为降温，将发生体积收缩，混凝土的水化热发生过程，一般在 河海大学t 程硕l 学位论文 浇筑后的3 天5 天左右，这时由于体积膨胀，在基岩部位受基岩约束，将出现较小的 压应力( 这是因为浇筑初期混凝土的变形模量小，还处于塑性阶段的缘故) ，等到混 凝土由最高温度开始下降以后，由于混凝土是热的不良导体，需要经过很长时间，几 年、甚至几十年，才能达到稳定温度。在基岩部位，混凝土的收缩，受基岩约束，将 发生很大的拉应力( 这是因为混凝土的变形模量、随龄期的增加而迅速加大的缘故) ， 如果超过混凝土的极限抗拉强度，就将出现基础贯穿裂缝。在脱离基岩约束部位，如 果混凝土的最高温度与外部介质的温差过大，内部热的混凝土约束外部冷混凝土的收 缩，亦即内部温度场呈非线性分布，也可能出现深层裂缝或表面裂缝。最可能和最危 险的情况，是早期的表面裂缝形成了混凝土表层的弱点，在继续降温过程中，最容易 出现具有破坏性的贯穿裂缝。 大体积混凝土水工结构，通常要承受两种不同性质的荷载，一种是结构荷载，包 括水压、泥沙压、地震、渗压、风浪、冰凌以及结构自重与设备重量等；另一种是 混凝土本身的体积变化，包括温度、徐变、干湿、混凝土自身体积变形等。第二种荷 载中主要是温度应力。 本文对闸底板整体浇筑进行了温度场和温度应力仿真计算，并考虑掺与不掺膨胀 剂u e a ，从而为工程的温度裂缝控制提供科学依据，并为类似工程提供技术参考。 1 3 水工混凝土温控问题国内外研究概况 自1 9 世纪混凝土诞生以来，学术界就一直进行水工混凝土温控问题的研究。但 是直到2 0 世纪初期，由于水工混凝土的大量应用，混凝土的防裂研究才引起足够重 视。国内外的调查资料表明，建筑结构中只有2 0 的裂缝源于荷载，而另外8 0 的裂 缝却是由于温度、收缩、不均匀等变形变化引起的”1 。 美国1 9 3 8 年3 、4 月a c i 第3 4 卷“大体积混凝土裂缝”中提供的资料。1 ，波 尔德坝采取的温控措施包括分缝间距均为1 5 m ，水泥用量为2 2 3 k g m 3 ，采用低热水泥， 浇筑层厚1 5 m ，并限制间歇期，以及预埋冷却水管，进行人工冷却等。稍后建筑的 大古力坝，除采用改良水泥外，其余温控措施和波尔德坝相同。它们和1 9 3 2 年建成 的奥威海坝相比，在每英尺长度上，出现裂缝的长度，奥威海为0 7 5 m ，大古力为o 5 6 m ，波尔德为0 2 2 m ，没有出现破坏整体的贯穿裂缝。另据“垦务局对拱坝裂缝控 制的实施”( a s c e 1 9 5 9 8 ) 和“t v a 对混凝士重力坝的裂缝控制”( p o w e r d i v i s i o n ( 1 9 6 0 2 ) ) 中可以看出，美国在对水工大体积混凝土温控防裂方面，在2 0 世纪6 0 年代初已经逐渐形成了比较定型的设计、施工模式，包括：采用具有低水 化热的水泥，或一部分用活性掺合料来代替；采用低水泥含量以减少总的发热量， 一般水泥含量为1 7 8 2 2 3k g m 3 ，水灰比为0 6 o 8 ，外部混凝土采用0 5 0 6 ； 限制浇筑层厚度和最短的浇筑| 日j 歇期：采用人工冷却混凝土组成材料的方法来降 2 河海大学工程硕 学位论文 低混凝土的浇筑温度；在混凝土浇筑以后，采用预埋冷却水管，通循环水来降低混 凝土的水化热温升；保护新浇混凝土的暴露面，以防止突然的降温，在各种条件下， 混凝土的养护，至少在1 4 天以上。由于采取了这些措施，到2 0 世纪6 0 年代末、7 0 年代初，美国陆军工程师团建造的工程基本上做到了不出现严重危害性裂缝；前苏联 直到2 0 世纪7 0 年代建造托克托古尔重力坝时，采用了“托克托古尔法”，才宣布在 温控防裂方面获得成功。此法的核心就是得用自动上升的帐棚创造人工气候，冬季保 温，夏季遮阳，自始至终在帐篷内浇筑混凝土“1 。 在国内研究领域，中国水利水电科学研究院朱伯芳院士1 9 5 5 年即在国内首先开 辟了混凝土温度应力和温度控制的研究领域，阐明了混凝土温度应力的基本规律，建 立了完整的计算分析和理论体系，提出了混凝土浇筑块、基础梁、船坞、重力坝、拱 坝、孔口、库水温度、寒潮、水管冷却等一系列温度应力研究成果和计算方法，广泛 应用于实际工程。为减少碾压混凝土坝的计算工作量，他还提出了以误差控制为特点 的“扩网并层算法”、“分区异步长算法“”“1 。河海大学在7 0 年代后期开始进行混凝 土结构施工期温度场、徐变应力场的分析工作，“七五”期问曾结合国家自然学基金 与重点攻关项目先后承担了京杭运河船闸施工期温度应力计算，东风拱坝施工期温度 应力与裂缝稳定分析：在1 9 9 0 年至1 9 9 2 年问完成了小浪底水利枢纽进水塔从施工期 到运行期全过程仿真模拟的三维有限元程序系统( t c s a p ) ，并且将国际上流行的虚拟 裂缝模型推广应用到长期变温荷载作用下的施工期软化开裂分析中”“。目前，中国 水利水电科学研究院、河海大学、天津大学、清华大学、西安理工大学、武汉大学、 四川联合大学、大连理工大学等单位都丌展了混凝土温度应力方面的研究“。清华大 学刘光廷教授、麦家煊教授等人提出将断裂力学应用到混凝土表面温度裂缝问题的研 究中，利用断裂力学原理和判据来分析在温度变化条件下混凝土表面裂缝性能和断裂 稳定问题“”1 。丁宝瑛等在温度应力计算中考虑材料参数变化的影响“。黄淑萍等则 较深入地研究了碾压混凝土层面的温度徐变应力状况“”。曾昭扬教授等系统地研究了 碾压混凝土拱坝中“诱导缝”的等效强度、设置位置、开裂可靠性问题，其成果直接 被沙牌碾压混凝上拱坝所采用“”；张国新博士、李荣湘教授在用边界元方法计算碾压 混凝土坝结构应用方面取得了一些进展“。武汉大学黄晓春博士、梁润教授等针对龙 滩碾压混凝土重力坝施工期温控问题，研究了横缝问距、层面间歇的影响，提出了坝 面防裂的温度分析方法；天津大学赵代深教授、李广远教授结合国家攻关项目在混凝 上坝全过程多因素仿真分析等方面取得了一批成果“7 1 。李国润教授在铜街子工程的 温度应力计算中，比较了不同浇筑温度对温度应力的影响。近年来，随着热传导理论 的发展与解题方法的不断成熟，对大体积混凝土结构裂缝成因的认识又有了进一步的 提高1 。 随着时代的发展，有限元方法的推广和计算机技术的逐步普及，随之而来的是混 河海大学t 程硕i ：学位论文 凝土坝仿真分析研究的实用性及可行性增强，适用范围进一步扩大，成果水平闩益提 高，从而为2 l 世纪水利工程的设计和施工起到了关键性作用。目i ； ，我国的高混凝 土坝温度应力及温度控制仿真分析水平，在世界上处于领先地位。已经用这套方法， 对国内数十座大中型水电站进行了温度应力及温度控制仿真分析，所得成果，被广泛 应用于设计和施工。 长期以来，各国的工程技术及科研人员结合实际工程进行了大量的研究工作，对 大体积混凝土的温控和防裂提出了较成熟的工程措施，并在实际工程中加以应用，取 得了很好的效果。 这些研究成果的一个重要特点就是结合具体工程进行研究，各家的温度场计算成 果相近，但应力成果有些差别。通过学习和研究国内外温度应力仿真分析方面的文献， 我们可以获得如下几点认识：其一，简化与复杂并存。一方面为减少计算工作量，尽 可能使问题简化，不惜采用粗糙的一维模型，甚至有的根据几个特征温差估算温度应 力。例如，日本东京湾多摩川隧道，在沉管混凝土的施工中进行温度裂缝的仿真计算 嘲1 ；另一方面，对碾压混凝土坝作全过程多因素的仿真分析，力求计算结果更接近实 际。随着计算机硬件的发展，开裂分析又逐步被引入到仿真分析中来，使计算工作量 空i j f 膨胀。其二，数值计算的模型与方法基本相同。除个别文献考虑了混凝士的线性 软化外，绝大多数使用的是混凝土粘弹性模型。在目前国内几家做仿真分析的单位中， 中国水利水电科学研究院、河海大学起步较早，成果相对多一些，但离可视化的要求 尚有一定距离”“。 1 4 大体积混凝土温控问题的研究方法 大体积混凝土温度场和应力场的研究方法一般可分为精确解析法和近似方法两 类慨。 精确解析法指的是，以数学分析为基础求解导热定解问题，得到用函数形式表示 的准确解。这个函数表示着在导热现象所在区域内的一种连续温度分布。所谓精确分 析解法，是说最后得到的函数形式的解在导热区域内逐点满足导热微分方程定解问 题。若导热问题可表示为较简单的常微分方程的定解问题，则用分析解法比较成熟， 求解也较方便。若导热定解问题为偏微分方程，采用精确分析法就比较复杂。所以， 该方法通常只能解决甚为简单的问题，而实际工程问题均属复杂问题，精确解析法在 实际工程温度场和应力场的仿真计算方面应用价值不大。但是精确解析法可以验证近 似方法( 尤其是数值方法) 的可靠性和精确性。最常见的精确解析法是分离变量法， 其它还有如拉普拉斯变换法、格林函数法、杜哈美尔法等。 近似方法主要包括数值解法、图解法、电热模拟法和水热模拟法等。其中后面几 4 河海人学1 ：程硕上学位论文 种方法近年来应用很少，因此近似方法主要指的是数值解法。数值解法是以离散数学 为基础的一种求解方法。它所得到的结果是求解区域内有限个离散点上的温度值，只 要离散点分布得足够稠密，离散点上一系列的温度值就能近似地代表连续的温度分 布。数值解法根据其计算原理的不同，又分为差分法、边界元法、有限元法和模型试 验法等。差分法主要适于一些边界规则简单的低维问题，而对边界复杂、材料多样的 高维问题则比较困难，因此差分法在实际运用中常见于浇筑层( 块) 的一维温度场计 算或坝体内温度场的一维估算，偶尔也有用于坝体温度场的二维计算。由于仿真计算 过程中边界条件、材料特性参数和单元网格随着时间的变化而变化，因此运用边界元 法来解决温度场的仿真计算问题还比较困难，且目前该计算方法在混凝土坝应力场中 的运用提及甚少。有限元法是随着计算机的出现与普及而迅速发展起来的数值解法， 现已渗透到工程结构计算中的各个领域。采用有限元法计算非稳定温度场及徐变应力 场，一般采用有限元差分法，即在空间域采用有限元离散，在时问域采用差分离 散。目前在进行坝体温度场和应力场的仿真计算中均采用有限元法，能有效地模拟坝 体的整个施工过程和材料特性参数随龄期的变化过程以及边界条件的变化过程，实现 坝体在整个施工期和运行期的仿真计算，是目前最为常用的计算方法。对于重要工程 往往还进行整体的地质力学模型进行试验研究。 1 5 本文主要的研究内容 本文结合南京市秦淮河整治工程的重点项目三汉河口闸底板工程，用a n s y s 软件，对该闸底板施工期的温度场和温度应力进行有限元分析。论文主要的研究工作 有： l 、首先介绍大体积混凝土的研究目的和意义，国内外大体积混凝土温控问题的 研究概况和温控问题的研究方法。 2 、阐述了混凝土温度裂缝的特点、产生原因、温度变化过程和温度应力的发展、 预防裂缝的措施等基本理论知识。 3 、研究了混凝土温度场、温度应力的计算理论。具体介绍了混凝土的热学性能， 包括水泥水化热、绝热升温和非稳定温度场的平衡方程；重点阐述了非稳定温度场的 有限元计算和水管冷却温控措施的理论知识，为进行三汉河口闸底板温度场和温度应 力仿真分析打下曙实理论基础。 4 、运用a n s y s 软件，对三汉河口闸底板整体浇筑工程施工期的温度场和温度应 力进行了仿真计算，给出了仿真计算有关参数，计算时考虑混凝土外掺u e a 膨胀剂对 温度场和温度应力的影响，为确定整体浇筑方案提供科学的理论依据，也为类似工程 提供有效的参考。 河海大学t 程硕十学位论文 第二章混凝土温度裂缝的成因及预防 2 1 引言 根据国内外已建的大体积混凝土建筑物的运行情况看，几乎所有的结构都或多或 少地出现裂缝，而这些裂缝大多是由温度应力、干缩应力及其他应力产生，由这些应 力产生的裂缝的控制是制约大体积混凝土建筑物建造技术进一步发展的关键因素之 一。因此掌握混凝土温度场的分布规律，了解温度裂缝的开裂机理是很有必要的。 2 2 温度裂缝的特性及产生原因 2 2 1 温度裂缝的特性 与由于荷载作用引起的裂缝相比，温度裂缝有以下几个显著特性”“”： 温度裂缝的分类一般可以分为浅层裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝。对于不同类型 的裂缝应该采取不同的裂缝控制措施，如采取不同的温控措施。在实际工程中，危害 较大的是贯穿裂缝，其控制措施一般比较严格。 温度裂缝与混凝土的材料性能有很大关系。混凝士结构在温度发生变化时，首 先要求变形，当变形得不到满足就会产生温度应力，温度应力的大小与结构的刚度大 小有关，当温度应力超过混凝土的抗拉强度就会引起温度裂缝。裂缝出现后变形就得 到满足或部分满足，温度应力就发生松弛。如果结构材料有良好的韧性，其抗裂性能 就较高。因此，提高混凝士承受变形的能力可以起到控制温度裂缝的作用。 温度裂缝具有时间性。由于结构都有一定的厚度，温度的变化通过表面向结构 内部传递时就有一个时间的过程。在结构内部温度达到最大值之i ； ，表面温度已经从 最大值开始降下来，因此结构内部的温度峰值低于外表面，这一点有较大的实际工程 意义。在实际工程中，通过延长结构温度作用的时间就可以较好的起到控制温度裂缝 的效果。 温度裂缝是在不停的变化着的。随着温度的不断改变，这种变化可以包括裂缝 宽度的扩展与闭合、裂缝长度的延伸和裂缝数量的增加。温度裂缝稳定的变化是正常 的，要控制的是不稳定的裂缝变化。 温度裂缝处钢筋的应力一般较小。混凝土结构丌裂以后，温度应力全部或部分 释放，当混凝土因为开裂而回缩，钢筋就会阻止其回缩，此时钢筋的应力就会有所增 6 河海大学1 = 程硕上学位论文 加，但一般不大。另外，当混凝土强度较低时，钢筋和混凝土之间的粘结力容易遭到 破坏，从而在裂缝处形成一个疏松带，这就使得钢筋的应力不会很大。因此，对于没 有防腐、抗渗等特殊要求的混凝土结构，温度裂缝的控制要求可以较荷载裂缝的控制 要求低一些。 温度作用时应力、应变不再符合简单的h o o k e s 定律。在一般的温度变化状 态下，一维的温度应力一应变关系可以用下式表示 ，r 占= 三+ 咖( 2 - 1 ) 占 式中：e 一线膨胀系数； t 温差。 由上式可知，与普通荷载作用状态下应力一应变关系的不同之处，在于多出了一 个由于温度引起的应变项。 2 2 2 温度裂缝产生的原因 长期的工程实践表明，造成混凝土出现温度裂缝的因素是极其复杂的。一方面， 混凝土由于内外温差而产生温度应力和应变；另一方面，结构外约束和混凝土内不同 部分的自约束阻止了这种应变。一旦温度应变超过混凝土能承受的极限抗拉强度，就 会产生不同程度的裂缝。总结产生裂缝的工程实例，混凝土出现温度裂缝的主要原因 如下： ( 1 ) 水泥的水化热 水泥在水化过程中会产生大量的热量，这是混凝土内部温升的主要热量来源。对 于大体积混凝土，由于截面的厚度大，水化热聚集在结构内部不易散发，引起混凝土 内部急剧升温。由于混凝土的导热性能较差，浇筑初期混凝土的弹性模量和强度都很 低，对水化热急剧温升引起的变形约束不大，温度应力自然也比较小。随着混凝土龄 期的增长，其弹性模量和强度相应提高，对混凝土降温收缩变形的约束越来越强，即 产生很大的温度应力，当该时刻混凝土的抗拉强度不足以抵抗该温度应力时，便产生 温度裂缝。 ( 2 ) 内外约束条件 混凝土结构产生温度应力时，变形会受到其他结构的外约束和混凝土自身不同部 分间的自约束。大体积混凝土产生的自约束应力比较大，一般的混凝土结构主要考虑 外约束应力。与地基浇筑在一起的混凝土结构，在温度变化时受到下部地基的约束， 产生外部的约束应力，当温度从最高值开始下降，混凝土产生较大的拉应力，若拉应 力超过抗拉强度，混凝土就会出现垂直裂缝。 ( 3 ) 外界气温的变化 7 河海大学t 程硕上学位论文 混凝土结构在施工期间，甚至在运行期间，外界气温的变化对混凝土的开裂都会 产生重大影响。混凝土浇筑时的外界气温越高，混凝土的温度也越高，如果外界气温 下降，特别是气温骤降，会大大增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，因而会造 成过大温差和温度应力，使混凝土出现裂缝。 ( 4 ) 混凝土的收缩变形 混凝土在水泥水化过程中要产生一定的体积变形，这种变形多数为收缩变形。 随着混凝土的硬化，其水分会不断蒸发，混凝土就会出现干燥收缩。在混凝土的收缩 过程中，很容易在混凝土表面形成一些不规则的收缩裂缝。混凝土产生温度裂缝的原 因非常复杂，多数情况下都是各种因素共同作用的结果。因此，在进行混凝土温度裂 缝控制时，必须综合考虑不同的因素，才能采取积极有效的防裂措施。 2 3 混凝土温度变化过程和温度应力的发展过程 2 8 ，2 9 对于体积较大的混凝土结构，温度变化过程大致如图2 1 所示，浇筑温度t p 是混凝土刚浇筑完毕时的温度，如果完全不能散热，混凝土处于绝热状态，则温度将 沿着绝热温升曲线上升，如图中虚线所示；实际上由于通过浇筑层表面和侧面可以散 失一部分热量，混凝土温度将沿着图中实线而变化，上升到最高温度t p + t r 后温度即 开始下降，其中t r 为水化热温升。上层覆盖新混凝土后，受到新混凝土中水化热的 影响，老混凝土中的温度还会略有回升；过了第二个温度高峰以后，温度继续下降。 如果该点离开侧面比较远，温度将持续而缓慢地下降，最后降低到最终稳定温度t f 。 如果该点离开表面的距离较小，该点温度在持续下降过程中，受到外界气温变化的影 响还会随着时间而有一定的波动，如图中实线所示，最后在t f 的上下有周期性的小 幅度的变化，为准稳定温度。 河海大学1 = 程硕 学位论文 l 一瑚士 蟪 1 盆! 图2 1 混凝土温度和弹性模量的变化过程 由于混凝土弹性模量随着龄期而变化，在大体积混凝土结构中，温度应力的发 展过程可以分为三个阶段( 图2 - i ) 。 ( 1 ) 早期应力。自浇筑混凝土开始，至水泥放热作用基本结束时止，一般约一 个月左右。这个阶段有两个特点：一是因水泥水化作用而放出大量水化热，引起温度 场的急剧变化；二是混凝土弹性模量随着时间而急剧增加。 ( 2 ) 中期应力。自水泥放热作用基本结束时至混凝土冷却到最终稳定温度时， 这个时期中温度应力是由于混凝土的冷却及外界温度变化所引起的，这些应力与早期 产生的温度应力相叠加。在此期间，混凝土弹性模量还有一些变化，但变化幅度较小。 ( 3 ) 晚期应力。混凝土完全冷却以后的运行时期，温度应力主要是由外界气温 和水温的变化所引起的，这些应力与早期和中期的残余应力相互叠加形成了混凝土晚 期应力。 根据引起应力的原因，混凝土温度应力可以分为以下两类。 a 自生应力 混凝土冷却时，表面温度较低，内部温度较高，表面的温度收缩变形受到内部的 约束，在表面出现拉应力，在内部出现压应力。由于结构本身的互相约束而产生的应 力为自生应力。自生应力的特点是，在整个断面上，拉应力与压应力必须保持平衡。 b 约束应力 结构的全部或部分边界受到外界约束，温度变化时不能自由变形而引起的应力。 例如，混凝土浇筑块冷却时受到基础的约束而产生的应力。在静定结构内只会出现自 生应力，但在超静定结构内可能同时出现自生应力和约束应力，而且两种应力互相迭 9 一d|+|l一丁1 t 上 tl； 河海大学t 程硕e 学位论文 加。 2 4 温度应力的分析方法和裂缝预防措施 2 9 为了掌握混凝土温度应力的发展过程和分布规律，首先要分析温度场。根据当地 气候条件、施工方法及混凝土的热学特性，按热传导原理进行计算。问题归结为在给 定的边界条件和初始条件下求解热传导方程。对于比较简单的情况，可求出理论解， 对于比较复杂的情况用有限单元方法求解。 根据已知的温度场分析温度应力是一项比较复杂的工作，只在比较简单的情况下 才能求得理论解，在大多数情况下需要采用数值计算方法，目前主要用有限单元法。 干缩应力与温度应力在数学上是相似的，分析温度应力的方法也可用于干缩应力的分 析。 混凝土结构内一旦出现大的裂缝，要通过修补以恢复结构的整体性实际上是很困 难的。我国曾经有几个大型水利水电工程，由于出现大量裂缝，被迫停工修补，费时 数年才恢复正常施工，损失很大，因此，对于大体积混凝土结构的裂缝，应以预防为 主。由于裂缝问题牵涉的因素较多，施工周期较长，经验表明，要完全防止大体积混 凝土结构的裂缝，既有可能，又很不容易，需要精心设计、精心施工。总结国内外经 验，为了防止混凝土结构的裂缝，应从以下方面着手。 1 选择合理的结构形式和分缝分块 经验表明，结构形式对温度应力和裂缝的出现具有重要影响。单薄结构对外界温 度的变化比较敏感，如果气候寒冷，应避免采用薄壁结构。 浇筑块尺寸对温度应力有重要影响，浇筑块越大，温度应力也越大，越容易产生 裂缝，因此合理的分缝分块对防止裂缝有重要意义。浇筑块尺度应根据理论分析和参 考实际经验确定，在同一浇筑块内应避免基础过大的起伏，在结构形式上应尽量避免 或减缓应力集中。 2 选择混凝土原材料、优化混凝土配合比 选择混凝土原材料、优化混凝土配合比的目的是使混凝土具有较大的抗裂能力， 具体说来，就是要求混凝土的绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、 热强比较小、线胀系数较小，自生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩。 ( 1 ) 选择水泥。内部混凝土主要考虑抗裂性能好、兼顾低热和高强两方面的要 求，一般采用低热矿渣水泥，中热硅酸盐水泥或硅酸盐水泥掺入一定量的粉煤灰。至 1 0 河海大学工程硕上学位论文 于外部混凝土，除了抗裂性能外，还要求抗冻融性、耐磨性、抗蚀性、强度较高及干 缩较小，因此一般采用较高标号的中热硅酸盐水泥。当环境水具有硫酸盐侵蚀性时， 应采用抗硫酸盐水泥。 ( 2 ) 掺用混合材料。掺用混合材的目的在于降低混凝土的绝热温升、提高混凝 土抗裂能力。混合材包括矿渣、粉煤灰、烧粘土等。目前粉煤灰采用较多。 ( 3 ) 掺用外加剂。外加剂有减水剂、引气剂，缓凝剂、早强剂等多种类型。减 水剂是最常用、最重要的外加剂，它具有减水和增塑作用，在保持混凝土坍落度及强 度不变的条件下，可减少用水量，节约水泥、降低绝热温升。引气剂的作用是在混凝 土中产生大量微小气泡以提高混凝土的抗冻融耐久性。缓凝剂用于夏季施工，早强剂 则用于冬季施工。 ( 4 ) 优化混凝土配合比。在保证混凝土强度及流动度条件下，尽量节省水泥， 降低混凝土绝热温升。 3 严格控制混凝土温度、减小基础温差、内外温差及表面温度骤降 严格控制混凝土温度是防止裂缝的最重要措施，包括以下方面。 ( 1 ) 降低混凝土浇筑温度，通过冷却拌和水、加冰拌和、预冷骨料等办法降低 混凝土出机口温度。 ( 2 ) 水管冷却。在混凝土内埋设水管，通低温水以降低混凝土温度。 ( 3 ) 表面保温。在混凝土表面覆盖保温材料，以减少内外温差、降低混凝土表 面温度梯度。 4 重视施工前期准备工作，加强施工管理 为了防止裂缝，除了严格控制混凝土温度外，还需要加强施工管理、提高混凝土 施工质量。显然，在一个混凝土浇筑块中，混凝土的强度不是均匀的，裂缝总是从强 度最低的薄弱处开始。工程实践表明，裂缝的出现与混凝土的不均匀性有重要关系。 当混凝土质量控制不严、混凝土强度离差系数c v 大时，裂缝就多。从全国范围来看 也是如此，混凝土施工质量较好的工程，裂缝就少，反之，裂缝就多。因此，为了防 止裂缝，一定要加强施工管理，提高混凝土施工质量。 在混凝土浇筑进度安排上，尽量做到薄层、短间歇( 小于5 天1 0 天) ，均匀上 升，避免突击浇筑一块混凝土，然后长期停歇：避免相邻块体之间过大的高差及侧面 的长或暴露；尤应避免“长条块、长间歇”，即在基岩或者混凝土上浇筑一薄块而后 长期停歇，经验表明，这种情况极易产生裂缝。 河海大学t 程硕 ：学位论文 面。 尽量利用低温季节浇筑基础部分混凝土，加强养护也是施工管理币的一个重要方 2 5 本章小结 本章主要通过查阅大量国内外资料，具体阐述了混凝土温度裂缝的特点、产生原 因、温度变化过程和温度应力的发展、预防裂缝的措施等基本理论知识。 河海大学1 = 程硕士学位论文 第三章混凝土温度场、温度应力计算的基本理论 3 1 混凝土的热学性能 2 6 混凝土的热学性能主要包括导热系数a 【( 聊h 。c ) 】、比热ci 矽( k g - 。c ) 1 、密 度p ( k g m 3 ) 、线胀系数口( 1 。c ) 等。混凝土原材料配合比有一定差别，对混凝土防 裂性能也有不同程度的影响。 导热系数旯反映混凝土传导热量难易程度的一种系数称为，比热c 反映了单位质 量混凝土温度升高需要的能量。影响混凝土导热系数和比热的因素，主要是骨料的用 量、骨料本身的热学性能、混凝土的温度及其含水状态。水工钢筋混凝土设计规范 给出了一般工程导热系数和比热的加权计算方法。 五：监 e w i w f c f c = j o z w f 表3 1 混凝土组成成分的导热系数和比热 材料 导热系数a ( ；k 孑万j )恻景) 水 2 1 6 4 1 9 水泥4 5 7o 5 2 石英砂 1 1 10 7 4 玄武岩6 8 7o 7 7 白云岩1 5 3 lo 8 2 花岗岩 1 0 4 8o 7 2 石灰岩 1 4 2 5 o 7 6 石英岩 1 6 8 0o 7 2 粗面岩 6 8o 7 7 导温系数a ( m2 h ) 是一个综合参数，根据导温系数的定义，有 3 河海大学工程硕十学位论文 4 ：三( 3 一1 ) c p 导温系数是反映混凝土热量扩散的一项综合指标( 又称热扩散系数) 。导温系数 愈大，愈有利于热量的扩散。混凝土另一个重要的热学参数是线膨胀系数，是变幅较 大的物理量，通常在( 6 、1 2 ) x1 0 1 v 之间，线膨胀系数口值的大小直接影响混凝土 的温度变形，在相同的温度和约束条件下，如口值小，温度应力就小。 3 2 水泥水化热与混凝土绝热温升 3 2 1 水泥水化热 水泥的水化热是依赖于龄期的，在工程中，人们不仅关心水泥的水化放热总量， 而且更关心水化的快慢。在影响水化速率的因素中，水化时的温度非常重要，一般地， 水化温度的升高将使水化速率增大；另一个影响水化速率的因素是水泥的细度，因为 较细的颗粒存在较大的比表面积，早期水化速度就快。 水泥水化热可用以下三种表达式： 指数式：烈f ) = q o ( 1 一p “7 ) ( 3 2 ) 双曲线式：q ( r ) = a o r ( n + f ) ( 3 3 ) 复合指数式：q ( f ) = 0 0 ( 1 一e - m r ) ( 3 - 4 ) 式中：o ( r ) 为在龄期r 时的累积水化热，k j k g ；o o 为f - - - ho o 时的最终水化热，k j k g ： f 为龄期，毋刀为常数，与水泥品种有关。 3 2 2 混凝土绝热温升 混凝土绝热温升可以根据水泥的水化热和粉煤灰含量计算。目前采用规范关于混 凝土绝热温升的表达式为： 口( f ) = q ( f ) ( 矿+ 血f ) ( 印) ( 3 6 ) 其中：形为水泥用量；c 为混凝土l t 热；p 为混凝土密度：f 为粉煤灰用量；q ( r ) 为 水泥水化热：k 为折减系数；r 为龄期。 3 3 非稳定温度场的热量平衡方程 4 2 在混凝土施工期，由于水泥水化热的作用，混凝土的温度将随时间变化。在混 凝土内部，即在区域斤内，非稳定温度场r ( x ，y ，z ，t ) 必须满足热传导方程。由热量的 1 4 河海人学工程硕士学位论文 平衡原理，温度升高所吸收的热量必须等于从外面流入的净热量与内部水化热之和， 可以推出混凝土热传导方程为1 ： a r fa 2 ra 2 ra 2 r 1 a 口 百剐l 可+ 矿+ 矿j + 瓦 ( v ( 而y , z ) r ) ( 3 _ 6 ) 式中：4 一导温系数( n f h ) ； 口一混凝土的绝热温升( 口) ： f 一混凝土龄期( d ) 。 当式( 3 - 6 ) 中的筹o ，百a t o 时，即混凝土内有热源，且温度场随时间变化， 则为非稳定温度场。 当式( 3 6 ) 中的掣：0 、娶o 时，即混凝土内无热源，但温度场随时间变化， d fo t 则为准稳定温度场； 当式( 3 6 ) 中的竺：0 、娶：o 时，即混凝土内不但无热源，而且温度场不随 d f讲 时间变化，则为稳定温度场。 热传导方程建立了物体的温度与时间、空间的关系，但满足热传导方程的解有无 限多，为了确定需要的温度场，还必须知道方程的定解条件，即初始条件和边界条件。 1 、初始条件 在初始瞬时，即当龄期f 2 0 时，初始瞬时的温度分布可以认为是常数( 对应入 仓温度) ，即 t ( x , y ，z ，0 ) = 7 0 “弘力= 常数 ( 3 7 ) 2 、四类边界条件“” ( 1 ) 第一类边界条件c ， 混凝土表面温度t 是时间f 的已知函数( 如