大体积混凝土水化热温度场和应力场耦合效应分析

器工程材料与设备　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　大体积混凝土水化热温度场和应力场耦合效应分析　朱钊，陈英吴，陈欣，胡玲哲　７１００６４）　（｛　宦大学公路学院．陕西两安摘要：针埘大体积混凝土浇筑过程中温Ｊ芟冲击现象可能引起的　期裂缝，综合考虑水化热、混凝土　｛｛ｌｊ弹性模量、混凝　土早期强度时变和混凝土　期收缩徐变效应以及水化热的空变效应，采用有限元方法分析水化热温度场，得到水化热温　度场和应力场的时变曲线，并进行了服役前混凝土的抗裂性评估。计算和蛮测结果对比表明．水化热时变模型预测的极　值温度、极值温度梯度完全吻合，该算法对Ｔ程实际具彳丁一定的指导作用。　关键词：大体积混凝土：水化热温度场：时变效应：耦合效应：有限元方法：温度控制　中图分类号：Ｕ　４４５．５５９　文献标志码：Ｂ　文章编号：１００９—７７６７（２０１７）０２一Ｏ１７４—０４　Ｃｏｕｐｌｉｎｇ　Ｅｆｆｅｃｔ　Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｆ　Ｓｔｒｅｓｓ　ａｎｄ　Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　Ｆｉｅｌｄ　ｏｆ　Ｍａｓｓ　Ｃｏｎｃｒｅｔｅ　Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ　Ｈｅａｔ　Ｚｈｕ　Ｚｈａｏ，【：ｌ１（－￣ｒｌ　Ｙｉｎｇｈａｏ，Ｃｈｅｒｔ　Ｘｉｎ，Ｈｕ　Ｌｉｎｇｚｈｅ　大体积混凝土浇筑受混凝土配合比、环境对流边　合比为：水泥：砂：碎石：粉煤灰：矿粉：水：外加剂＝２４９：　界等　素影响变异性较大，分析复杂，许多学者针对　７７６：１　０２９：４１．５：１２４．８：１７０：１０．３８　影响水化热分析的各　素进行了相关的理论和试验　１．２有限元模型计算参数　研究。水泥中粉煤灰及减水剂掺量对水ｉ圯绝热温升起　主要分析水化热温度场和嘘力场．采用问接分析　控制性的影响，冀伟…对水泥水化热进行　试验研究：　方法，模拟承台连续分层浇筑，实测大气温度和混凝　张增起等Ｉ　１对不同粉煤灰、矿粉掺量水泥的水化热进　土入模温度，取地基厚度为２．５　ｎｌ，地基温度取同定温　行了研究；孙维刚等ｌ　】运用等效龄期法对混凝土强度、　度２０　．单元类型采用８节点六面体单元，　元各向　弹性模量进行了分析预测：张岗等＿４ｌ对箱梁等大体积　同性．地基采用Ｃ２５混凝土垫层硬化处理，处理厚度　混凝土运用有限元方法进行了水化热温度场分析：张　３０　ｃｍ，地基弹性模量取Ｃ３０混凝土弹性模量。取ｌ／２　文伟等　ｌ对通水冷却的大体积混凝土进行了数值分　承台进行水化热分析，对称面边界采用对称边界．共计　析：Ｓａｔｏ等Ｉ　】对温度场残余应力引起的ｌ卡Ｊ】始损伤对结　１３０６２个单元　构后期影响做出ｌ『评估。笔者在上述研究的基础上，考　１．３时变温度场及应力场分析　虑水化热、混凝土弹性模量、混凝土早期强度及收缩　温度场、悔　场进行分析预测．评价混凝土的抗裂性　从图１、２可以看出．混凝土龄期９　ｄ时温度场达到　于承台巾心，超过规范要求的７５℃：混凝土表面温度　从罔３、４可以看出，结构表面｝｝Ｊ现Ｕ形托应力带．　为边界刚度效应导致：横桥向ＬｌＪ现厚｛　应力带．顺桥　向ｆ１；现扁平拉应力带．．温度场和应力场发生错峰现象．　徐变耦合效应，运用有限元方法对大体积混凝土水化热　峰值，极值温度８０　Ｃｃ．高度位于２．２５　ｍ附近，平面位　提出了冷却水管的布置形式及冷却水管参数，对同类１＿　３５　，内表温差４５℃，超过规范要求的２５　。　程水化热的精确分析和预测具有重要的借鉴作　１　水化热温度场及应力场分析　１．１工程简介　桀悬索桥承台为哑铃彤，单个承台平　Ｊ　寸２０．７・ＩＩＸ　应力温度场极值出现在龄期１４　ｄ．化于承台表面：水化　２０．７　Ｉ１１，高４．５　ｎｌ；系梁平面尺寸１０ｍＸＩ３．８　１１１．高４．５　ｍ　热拉应力３．２２　ＭＰａ，混凝土抗拉强度２．３８　ＭＰａ．托应力　承台混凝土量４　４６８　ｍ　，采用一次件浇筑。承台混　超限，将导致温升裂缝，该裂缝为混凝土浇筑初期累　凝土为Ｃ３５，采　Ｐ．Ｓ．Ａ　４２．５矿渣硅酸盐水泥，设汁配　计损伤，对结卡勾使用过程的耐久性影响较大　１７４席荭技求２０１７Ｎｏ．２（Ｍａｒ．）Ｖｏ１．３５　纠２　水化热温度场ｆｆ１ｆ　ＩＩＩＩ线　冬１　３　水化热应力场分们　４　水化热应力场ｌｆ１ｆ变…线　陔大体积混凝土浇筑过程需没汁冷却水管降温．　以降低水化热温度场，释放可能ｆ“现的托应力　２冷却水管布置及温度测试　２．１冷却水管布置　冷却水管伽置４层，高度分）ｊｌＪ为ｌ、２、３、４　ｌ１１，平面　如　５所尔　水管进出水单层５进５　ｍ，承台进　Ｈ｛水【】共２０个，　台中心水化热较高．进水口　承　工程材料与设备器　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　台・　置，进水温度较低，降温效率高　冷却水管锊　４２　ＴＴＩＴＴＩ，弯头处进行密闭处理；进水温度ｌ８℃，采川　加冰控制，水流量６．４　ｍ３／ｈ。　５冷却水管平面　拦Ｉ殳ｊ　２．２温度测点布置　温度测点共ｌ布置４　，高度分别为（）．５、１．５、２．５、　３．５　ｎ１　．测点编　弓　为Ｘ—Ｙ，Ｘ表示测点所　层数，从卜刨　Ｊ二依次　１～４层：Ｙ表，　平面编号．单　平面布置如　罔６所，Ｊ：　　ｌｌ　２　３　＿］　　ｌ＝｝　１管　２　Ｉ２２　２３　『Ｉ　ｌ・ｌ　＝・　扣　孽告１　ｊ　＝＝＝暑　　ｉｌＩ　　Ｉ厂———————］　ｌ　ｊ．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．　．】．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．１ｌ＿ｌ＿　６温眨测点单层　而　２．３通水后时变温度场及应力场分析　从　７、８可以看　，通水后沿承台高度方向…　间隔温度带，通水处温度较低．距离冷却水管较远处　温度较高，承台底面向Ｊ－０．３　Ｉｌｌ左科温度最高　，平　Ｉ　进水ＬＪ位　水化热温度明显低于其他位置．说明进水　温度较低，降温效率高，水流循环过程温度逐渐升高，　降温效率降低。通水后水化热最高温度降低为５３．６℃，　最高温度发生时间为７２　ｈ　从『皋１　９、１０可以看…．混凝土扎麻力主要位于水管　侧壁，Ｈ１混凝土温差较大导致的收缩小均匀效应引起　混凝士存７２　ｈ出现十　力，最大值为（）．８５　ＭＰａ，小于陔　时刻混凝土的抗拉强度（即１．６３　ＭＰａ）：后期逐渐转化为　压应乃，最大值为２．３４　ＭＰａ：３０ｄ　应力达到ｌ－２８　ＭＰａ，　水化热温度场趋于稳定，陔压应力为承台混凝土浇筑　ｚ０１７－￣－￣２棚（３．１）第３５誉，；｝荭技术１７５　器工程材料与设备　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　刘７迎水后水化热温度场分布　司１０通水后水化热应力场时变【ｆ｝１线　蛊罨　纠８通水后水化热温度场时变『ｆｆＩ线　＋避璐　＿譬Ｉ　ｌ１　通水后承台水化热温度场　引９通水后水化热应力场分布降　鞠ｌ２通水后系梁水化热温度场　戏余　梯度场　测结　表明，通水后承台和系梁　向温度梯　度均不明　，０．５～１．５　Ｉｌｌ之问温度梯度较大，其余受冷　实测结果与分析结果吻合较好，具体数值　表１、　冈ｌ１、ｌ２分别＿为承台和系梁通水后水化热温度　却水管和对流边界影响，温度梯度均较小。　表ｌ　承台累计时间理论温度与实测温度比较　１７６，；｝荭投ｊＩ：２０１７Ｎｏ．２（ＭＱｒ．）Ｖｏ１．３５　工程材料与设备昌昌　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｍａｔｅｒｉａｌ＆Ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ　续表　３　结语　【１）：Ｉ　３－１６．　２ｌ张增　．　梦晓，｝：拍　，　．　设　１）综合考虑水化热、混凝土　期弹性模　、混凝　Ｉ法　人体干｛｛｝ｆｔ凝ｆ　一¨：能　土早期强度｝ｆ１『变和混凝士早期收缩徐变效膻以及水　化热的　变效应¨ｒ提高埘大体１＝！｛混凝十温度场和　颅测・Ｉ，ｎ　咖　㈨Ｊ１．　Ｉ　人　８０６—８】０．　（Ｉ　Ｉ然科　版），２０１６（８）：　【　水化热　Ｊ　４　ｆ＿ｌ　＝力场分析的精度，典行实际的参号意义　．　２）水化热温度场产　的成力场会导致卡』Ｊ期混凝：　１３】孙　｝：Ｉｑ１，ｆ　ｌ砌，刘术　｝，　．火ｆ１　卡ｊ｛｝ｌ＿　数ｆｌＩｆ分　１．ＪＩ＿ｆｆ．．Ｊｊ：夫　４７９．　：ＪＫ（ｎ然科一　版）．２０Ｉ５（４）：４７５～　开裂，形成初期累积损伤，将对后期混凝土的耐久性　和安全性产乍不利影响；采川冷却水管方式ｒ　ｆ降低水　Ｉ４ｌ张岗，ｆ１２仆，　拎海．　．褊　水化热濉ｊ耍场Ｉｔ，Ｊ　设帙』　及叫变　场『－Ｊｆｌ　Ｋ　久学　报（　然科　帆），２００８，２８（４）：５ｌ一５６．　化热峰值，释放温度拉麻力，并为混凝土储备　应　．　１５　　ＭＥＩＪ　，．Ｉ１Ａ　Ｙ　Ｍ，ＣＨＥＮ（：Ｙ　Ｉ　．＿ｒｔ　１　ｒａｉｍＩ　（１ｉｓｔｉ・ｉｔ，ｕｔｋ１　＿ｌ１　对后期结构使｝｛ｊ具仃彳『利影响　、　¨｝Ｉ１（”ｔｅ　ｂｏｘ　ｇｉｎ　’Ｈ　Ｉ　ｔｎ　ａＩＩ１ｈＯＩｌ｛　ｈｖｄＩ－ａｔｉｏｎ…哈，Ｊ＝　３）不通水时，拉应力主要Ｈ｛蛳　混凝土　．为　淡ｈｊ　人　、　：　’　（　义版），２０ｌ】，Ｊ８（Ｊ）：４７—５　Ｊ．　膨胀引起；通水后，｛　力主婴化于水臂侧　，为不均　【６Ｉ张义　，畅　，　川　．　颅　川　ｊ．饷　惭水化热测ｉＪ｛＝　匀收缩引起，　此应合理控制冷却水的进水温度．防ｊｌ：　温度场分布　０通水　、进ｔｔ１水［　Ｉ布置密　杆｛火．进水　及分十玎…．Ｉ｝１外公路，２（）ｌ　５，３５（４）：Ｉ６１一ｌ６５．　７　Ｊ　ＡＴ（）Ｍ，Ｋ（）ＩＺＬＩＭＩ　Ｋ．【＿ＭＥＭ【Ｉ／Ａ　Ｙ．　ｆ　ｌ－Ｉ　Ｉ，ｒ　Ｉ１ｔ　１¨ＪＪｊ『１　收缩引起的拉』　力超过Ｉｊ艮值，导致混凝土开裂　水化热　Ｊｈｉｓｔｍ’ｖ【１｜１　ｓｉｌｉ‘－ｄＩ｛－ｓｈｔＩ（－ＩＩｌｌｔ・　ａｎｄ　ｂｙ（ｈａｔｉＩＩｉｉ　ＩｌＩ‘・¨１１ｔ！ｌｌ［Ⅲ１（Ｉ　ｓｉ１ｉ（．ｕ　口ｔｔ｛水温较低，降温效率高，臆优先选择将进水Ｉ　Ｉ仃　［＇ｕｍｅ　ｉｌｌ　ｕｌｔｌｎ　ｈｉｇｌ１　ｓｌｒｔ　Ｉｌｇｔｈ（－Ｏｉｌ｛　－ｌ　Ｊ】．Ｌ：ｔ，Ｉｌｌ｛　ｎｔ　Ⅲ・ｔ　＆（　１１　１ｔ－Ｉｒ　嚣在温度较高处　参考文献：　ｈｎ（）ｌ（１ｇｖ，２０Ｉ４，６８（１）：４８０—４８７．　收稿Ｅｔ期：２｛｝１６—１０一ｌ　７　作者简介：术钏，　ｊ，　倾ｔ：（ｉＪＩ：　丸　．４３ｉｚ１究，　为多塔ｆ｝　℃怂索桥　ｆｌ　Ｊ建　．水　水化热试验研究分折…．公蹄交邋技术，２０１６，３２　缆索系统施『过　分Ｊ＝［『　（上接第ｌ７３页）　ｆ５］术犬ｒ］ｊ，心顺华．　介地　条件下　构刀艇没　‘研究…．地　伞问　Ｉ　程学｛Ｉ迂，２００７，３（３）：４７９—４８２．　Ｉ　振　，张成…ｔ，张顶●：，　．　水砂印ｒ　人“　十勾　ＪｊＩ　的　拈ｊ　。迁幢　ｒ　ＩＩ＿』七　炎翘大　’　’　｝｝｛，２０１３．３７（３）：６２—６７．　收稿日期：２（】ｌ６—１Ｉ—Ｉ６　【６】张叫寓，袭人　，黄清１￡，等．砂印毛　地　盾卡勾　分析ＪＪ】．　动忿Ｊ　作者简介：蕺洪｝ｌ　，　】，Ｉ　Ｐ－　Ｉｈｌｉ，一、　：ｈ，　接从一　城ｌｆ］地铁隧道及地ｌ、　Ｉ　施１＿ｊ￡术僻，ｌ＝ｌＩ｛　Ｉ　竹：　力学　Ｉｊｌ　科学报，２００８，２７（２）：３９７—４０２．　２０１７￣￣２期（３竹）第３５拳，；｝荭技术１７７