大体积混凝土结构三维温度场、应力场有限元分析.pdf

第 4 O卷第 2期 2 0 1 4 年 2 月 水 力 发 电 E 大 体 积 混 凝 土 结 构 三 维 温 度 场 应 力 场 有 限 元 分 析 匡妍 艺 ( 广 东省建 筑科学研究院 ，广 东 广 州 5 1 0 5 0 0 ) 摘 要：对某水电项 目医院 E C T加速机房 大体积混凝土结构施工过程进行三维有限元分析 ，动态模拟环境 因素随时 间变化过程 中不 同施工 阶段混凝 土结 构温度场和应 力场分布规律 。分析结果表 明。混凝土浇筑初期温度呈现 内高外 低的规律 ，随着龄期 的增加 ，水 化热经由热传导和热对流逐渐 向周 围扩散 ，温度场趋于稳定 。高温度应力 出现在混 凝土浇筑块温度场分布较高区域和受外部约束 区域 ，并导致混凝土出现裂缝 。 关键 词：大体积混凝土结构 ；水化热 ；温度场 ；应力场 Fi n i t e El e m e n t An a l y s i s o n 3 - D Te mp e r a t ur e a n d S t r e s s F i e l d s o f M a s s Co n c r e t e S t r u c t u r e KUANG Ya ny i ( Gu a n g d o n g P r o v i n c i a l A c a d e my o f B u i l d i n gRe s e a r c h , Gu a n g z h o u 5 1 0 5 0 0 , G u a n g d o n g , C h i n a ) Ab s t r a c t ： T h e c o n s t r u c t i o n p r o c e s s o f a m a s s c o n c r e t e s t ruc t u r e f o r t h e E C T a c c e l e r a t o r r o o m o f a h o s p i t a l i n a h y d r o p o w e r p r o j e c t i s a n a l y z e d b y u s i n g 3 - D F i n i t e El e me n t Me t h o d , w h i c h d y n a mi c a l l y s i mu l a t e s t h e d i s t ri b u t i o n s o f t e mp e r a t u r e a n d s t r e s s f i e l d s i n d i f f e r e n t e n v i r o n me n t a l f a c t o r s a n d d i f f e r e n t c o n s t r u c t i o n s t a g e s T h e a n a l y s i s r e s u l t s s h o w t h a t t h e t e mp e r a t u r e p r e s e n t s t h e l a w t h a t i s h i g h i n i n t e r n a l a n d l o w i n e x t e r n a l a t t h e b e g i n n i n g o f c o n c r e t e p l a c e me n t , a n d t h e h y d r a t i o n h e a t g r a d u a l l y s p r e a d s t o s u r r o u n d i n g b y h e a t c o n d u c t i o n a n d c o n v e c t i o n wi t h t h e i n c r e a s i n g o f c o n c r e t e a g e a n d t h e n t h e t e mp e r a t u r e fi e l d b e c o me s s t a b l e Hi g h t e mp e r a t u r e s t r e s s l e a d s t o c r a c k i n g i n c o n c r e t e ， wh i c h a p p e a ri n g i n t h e p l a c e o f h i g h t e mp e r a t u r e a n d e x t e r n a l c o n s t r a i n t s Ke y W o r ds ： ma s s c o n c r e t e s t r u c t u r e ； h y d r a t i o n h e a t ； t e mp e r a t u r e f i e l d ； s t r e s s fi e l d 中图分类号 ： T U 5 2 8 O 1 ； 3 1 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 0 5 5 9 9 3 4 2 ( 2 0 1 4 ) 0 2 0 0 6 5 0 3 O 引言 随着 大体 积 混凝 土在 现代 工 程 建设 中 的广 泛 应 用 ，对 其 性 能 的研 究 已成 为 工 程 界 和学 术 界关 注 的 热 点 。温 度 变化 对 大 体 积混 凝 土 结构 应 力 状 态具 有 重 要影 响 ，设 计 和 施 工 阶段 对 温 度场 仿 真 分 析是 解 决 大体 积 混凝 土结 构 温度 应 力 及 裂缝 的必 要 环节 和 重 要手 段 。 完整 的温 度场 分 析 有 助 于确 定 几个 关 键 问题 ： 混凝 土的配合 比；裂缝位置 ；施工期 限制 温度 1 - 2 。 目前 ，分 析 结 构温 度 荷载 计 算 方法 一 般有 F o u r i e r 热 传 导方 程 、近似 数值 解 法 和半 理论 半 经验 公式 13 1 。F o u r i e r热 传 导 方 程 对 处 于 平 面应 变 状 态 的结 构用 一 维 热传 导 状 态做 简 化 处 理 ，即 只存 在 1个 主要 的热 传 导 方 向 ，使 用 分 离 变 量 法 和 拉 普拉 斯 变换 法解 答 ，其 近似程 度在 工程 允许 范 围内4 1 。近 似 数值 解 法 包 括有 限差 分法 和 有 限 单元 法 。有 限差 分 法 较适 用 边 界 规则 简 单 的低 维 问 题 对 解 决边 界 复 杂 、材料 多样 的 多维 问题较 困难 5 1 。有 限单 元 法不 局 限于规 则 的 差分 网格 ，不仅 考 虑 节点 的作用 ，同 时 考 虑单 元 作 用 以及 单 元 对整 体 的 贡献 具有 较 大 的灵 活性 和 适 应性 ，计 算 精度 高 。以现 场 实测 资料 为 依 据 ，用 数 理 统计 方 法 分析 温 度 分 布规 律得 到 的 半 理论 半 经 验 公式 ，如 美 国的经 验 公式 、我 国 的郭 溪 桥柔 性墩 公式 等3 1 也广 泛应 用 。 本 文 以某水 电项 目医 院放疗 EC T加 速机 房 混凝 土 施 工专 项 工 程 为研 究 背 景 基 于 热传 导 原 理建 立 物 体 与时 间 、空 间 的关 系 ，选 用经 过 近 似处 理 的第 三类 边 界条 件【 ，应 用 三 维有 限单 元 法对 埋 设 冷 却 收稿 日期 ：2 0 1 3 1 1 - 1 1 作者 简 介 ：匡 妍艺 ( 1 9 8 6 一 ) ，女 ，湖 北 宜 昌人 ，工程 师 ，硕 士 ，主要从 事结构分析 、工程力学分析 工作 牙5斗 u 卺 旯j z I兰 灯T f ，一 ： t4 x 1 匕 匕 赝疋 上 个 二 习E 腼J豆 切、 l J切 P 阪76 7 3 1 ： 各 施 1 阶 段 最 大 应 力 随 时 间 变 化 规 律 见 图 3 。 图 3可 以看 出 温 度 应 力( 超 过 混 凝 土抗 拉 强 度标 准 值 )导致 的温度 裂缝 从 混凝 土凝 结 开始 就存 在 ， 并 一 直贯 穿 于 混凝 土 浇 筑施 工 全 过 程 。控 制 大 体 积 混 凝 土水 化 热 温度 ，首 先 应控 制 水 化 反应 放 热 和延 缓 水 化 热 发 散 速 率 ，需 设 计 合 理 的混 凝 土 配 合 比 。 尽 量 选择 发 热 量低 的 中 、低热 水 泥 ，较 优 骨 料 级 配 和 b J H 剂 ，减 少水 泥 用 量 。施 工 时 合理 安 排 施 丁程 序 和 进度 主 要包 括 ：保证 基 础 约 束 区混 凝 土 在 实 际规 定 的 间歇 期 内连 续 均 匀上 升 ，尽 量避 免 薄 层 长 间歇 ：其 他 部 分 的混 凝 土施 工 基 本 上做 到短 间 歇 连 续 均 匀上 升 ：相邻 块 之 问 的 高差 符 合设 计 允 许 的 高 差 要求 。 同时 ，降低 混 凝 土 m机 口的 温度 和 减 少运 输 过程 中和 仓 面 的温 度 回升 ，应 严 格控 制 混 凝 土运 输 时 间 和浇 筑 体覆 盖 前 的 暴露 时 间 ，并 采 取 途 中 和 表 面保 温 措 施 以控 制 浇筑 块 体 最 高 温度 。混 凝 土 振 捣 浇筑 过 程 中 ，必 要 时采 取 通 水 冷却 等 强 制 降 温 措 施 。浇 筑 完 毕后 ，做 好 混凝 土表 面养 护 ，根 据设 计 表 面保 护 标 准确 定 不 同 部位 、不 同条 件 的表 面保 温 要求 ，尤 其 应重 视 基 础 约束 区 、上 游 面及 其 他 重 要 结构 部位 的表 面 养护_ 1 O l 。 室 -R 斗 堪 星 皤 【 】 期 a第1 旌 r 阶段 室 -R 皿 釜 曰期 日期 b 第2 船工阶段 时问n l d 全过程 c 第3 施 一 阶 段 图 3 最 大应 力变化 3 结语 采用 MI DAS C I VI L有 限元 软 件模 拟 混 凝 土分 施 工 阶段 层 层 浇筑 全 过 程 ，建 模 时将 加 速 机 房按 施 工 阶段 定 义 结构 组 ，利用 生 死 单元 实现 逐 步增 加 浇 筑 层 的动 态 浇筑 过 程 。分 别 定 义环 境 温 度 、混 凝 土水 化热 和 弹性 模 量 随龄 期 变 化 曲线 ，真 实模 拟 混 凝 土 结 构在 自然 环境 中温 度变 化 状 态 。结 果 表 明 ，放 疗 EC T加 速机 房 混 凝 土水 化 热 产 生 的温 度 场分 布 为 内 高外 低 并 随时 间推 进 ，混 凝 土 内部 热 量 逐渐 向外 部 扩 散 ，温 度 最 终 趋 于 平 衡 稳 定 ，混 凝 土 表 面 温 度 受 环境 冈素影 响 较 大 。温 度 应 力受 温 度 场 分布 影 响 明 显 ，混凝 土结 构 中 心 和外 部 约 束 处 温 度应 力 较 大 。 本 模 型 和计 算 结 果 为进 一 步 研究 大 体 积 混凝 土 水 化 热 温控 方法 和措 施 提供 了理 论依 据 ，具 有一 定 的 应 用 价 值 。 参考文献 ： 1 刘秉京 混凝 土技术 M 北京 ：人民交通 版社，1 9 9 5 2 尹 建勋 大体 积混凝土施 _ r 表面 温度 裂缝控 制丁艺 J 山两建 筑 ，2 0 0 63 2 ( 1 8 ) ： 1 2 6 1 3 0 3 张 晓飞 碾 压混凝土拱坝 温度应力场仿 真分 析 D 西安 ：西安 理 T 大学 ，2 0 0 3 ： 9 1 0 4 王 秀梅 理论分析 与计算 机模拟施： 期混凝 土拱坝温度场 、温 度裂缝f D1 昆明：昆 明理 _ r 大学 ，2 0 0 7 ： 9 1 0 5 张晓飞 大体 积混凝土结 构温度场 和应力场仿 真计算研 究 D 西安 ：西安理下大学 ，2 0 0 9 ： 5 - 6 6 朱伯芳 大 体积混凝土温 度应力与温度控制 M 北京 ：巾国电 力 版社 ，1 9 9 9 7 朱伯芳 有限元 法应用 M 北京 ：中困水利水 电i_ i 版社 ，1 9 9 8 8 北京迈达 斯技术 有限公司 MI D A S C I V I L用户手 册第二 册 M 北 京 ：迈 达斯技术有 限公 司2 0 0 2 9 陈 火红 ，祁 鹏 MS C P a t r a n Ma r c培训 教 程 和实 例 M 北京 ： 科 学出版社 2 0 0 4 1 0 谢先坤 大体积混凝土结构 维温度 场 、应力场有限元仿真计 算及裂缝成因机理分析 D 南京 ：河海大学 ，2 0 0 1 ： 5 2 5 3 ( 责任编辑杨 健) 水利水电工程围堰设计规范 实施执行 水利部 近 日发布 2 0 1 3年第 4 9号公 告 ，由长 江委长江勘 测规划设计研 究院编写完成 的 水利水电_ l1 程 围堰设计规范 ( S L 6 4 5 2 0 l 3 )将于 2 0 1 3年 l 2月 1 7日实施执行 。 按照水利部 水利行业标准制修 订计 划 ，长江委长 江勘测 规划设计研 究院组成规范 编制 组 ，通过总结我 国 目前 水利水 电工程 围堰设 计实践经验 ，在 长江委郑守仁 院士 、夏 仲平副 总T等施工 导流专家 的指导 和支持下 吸收全 国有关 单位意 见 ，先后 完成了 水利水 电丁程围堰设计规 范 编制工作大 纲 、征求意见稿 、送 审稿及报批稿的编制工作 。 规范共 9章 1 7节 9 9条和 1 个 附录 ，主要技术 内容 有 ：围堰 设计标 准 、围堰型式 、围堰 布置 、围堰结构设 计 、 堰基处理设计 、围堰安全监测 、围堰拆 除设计等 。其颁 布执 行 ，有利于规范水利水 电T程 围堰设计 保 证水利行业 围堰 设计质量 。 ( 水利部 )