（工程力学专业论文）大体积混凝土温度场温度应力三维有限元分析.pdf

摘要 摘要 随着大体积混凝土结构在现代工程建设中的广泛应用，由温度应力引起的混凝 土裂缝问题越来越引起人们的重视。影响混凝土裂缝的因素众多、且产生裂缝的机 理复杂，国内外对此问题的研究成果也很多。目前，仍无法精确模拟各种多变的因 素对裂缝发生发展的影响。而通用的有限元分析软件都不能精确地模拟工程实际施 工过程，目前虽然计算温控的程序很多，各种程序重点不尽相同，每种程序都有各 自的优点，但基本上各种程序之间缺乏交流。本文在查阅国内外许多大体积混凝土 温度问题资料的基础上，给出了大体积混凝土温度场应力场三维有限元计算列式， 并参与编制了大体积混凝土三维温度场应力场计算程序，进行多种工况下的计算分 析。在保证计算精度的前提下，简化了数据输入的工作量，通过程序的进一步优化， 大大提高计算速度，在单台p c 机上就可以得到理想的计算结果。 为了程序的高效使用，把原本复杂的数据处理融入计算核心程序之中，用户对 数据的准备与普通的结构分析一样简单。在计算建模方面，每批浇筑混凝土的单元 和节点都无需按顺序编码，极大地方便了单元剖分工作，并且对节点码进行优化， 提高了计算速度。 首先对典型算例进行计算，结果与理论解基本一致；其次进行详细的简单算例 分析，计算结果符合温度场应力场分布规律，基础允许温差满足设计规范要求；最 后以某工程溢流坝段为例，利用工程实际资料对主要热力学参数进行曲线拟台，反 演出公式中的参数；根据混凝土的实际浇筑情况，模拟坝体施工过程，通过分析温 度场计算成果，找出了最高温度出现的时间，温度场满足基础温差要求：进一步考 证了变换保温措施和降低入仓温度程序对温度场的敏感性。 关键词：大体积混凝土：温度裂缝；温度场；温度应力；程序设计 a b 啦r a c t a b s t r a c t w i t hm ew i d e l ya p p l i c a t i o no fm a s sc o n c r e t es 打u c t l l r ei nm o d e me n g i n e e r i n g s ，m e c o n c r e t ec r a c kr e s u l t e df b mt c m p e r a t t l r es t r e s sa r eg e m n gm o r ea n dm o r ea t t e n t i o no f p e o p l e b u tt 1 1 e f a c t o r sa 虢c t i n gc o n c r e t ec r a c ka r ev a r i o u sa i l dt h em e c h a j l i s mo f g e n e m t i n gt h ec r a c ki sc o m p l e xa n dm e r ea r es om a n yr e s e a r c h 矗n d i n g sh o m ea n d o v e r s e a s ，p r e c i s es 岫u l a t i o no fm ei 1 1 | 1 u e c eo f a uk i n d so ff 如t o r so nc r a c kg e n e r a t i o n a 1 1 dd e v e l 叩m e mi si m p o s s i b l ea tp r e s e n t t h e g e n e r a lf e ma n a l y s i ss o f t 、v a r e sa r e u 1 1 a b l et os i m u l a t ea c t i m lc o n s t r i l c t i o np r e c i s e l y ，a l m o u g ht h ep r o 铲a m sf o rt e m p e r 砒u r e c o n _ 【r o l l i l l g a r e v a r i o u s ，e v e r yp r o g m m ，w h i c hb a s i c a l l y a r ec l o s e d ，h a sd i 疏r e n t e m p h a s i sa n di 拈m e r i t 0 nt l l i sb a c k 伊o u n d ，i nm ep 印e r ，b a s e do nt l l e o r i e s 咖d i e d b e f o r c ，p r o g r a mm a d eb yn n o rf o rc o m p u t i n g3 - dt e m p e r a t l l r ea n ds t r e s sn e l d so fm a s s c o n c r e t ei sv a l i d a t e db ye x 锄p l e su n d e rl o t so fw o r kc o n d i t i o n s ，a c c o r d i n gt o t h e 册o d y l l 锄i c sc h a r a c t e r i s t i c so fm a s sc o n c r e t e ，a i m e da ti m p r o v i n gm ec o m p u t a t i o n e 伍c i e n c yo ft e m p e m t i l r ea 1 1 ds t r e s sf i e l d so fm a s sc o n c r e t e 0 nt h ep r e c o n d i t i o no f p r e c i s i o n ，t h e 、v o r ko fd a t ai n p u ti ss i i i l p l i f i e d b yo p t i m i z a t i o no ft h ep r o g r a m ，s p e e do f c o m p u t a t i o ni sh i 曲l ya d v a n c e d ，l e a d i n gt ob e t t e rr c s u l 招i ns i n g l ep c f o ru s i n gp r o g r a me m c i e n t l y ，c o m p l e xd a t ah a n d l i n gi si n c l u d e di nc o r ec o m p u t e p r o g r 帅，s ot h ep r e p a r a t i o nf o r 出| 诅i sa ss i m p i ea sc o m m o ns t m c t u r ea i l a l y s i s i n m o d e l i n g ，t h ee l e m e n t sa n dn o d e so fe v e r yb a t c ho fc o n c r e t en e e d t l tb ec o d e db y s e q u e n c e ，s i m p l i 母i n gt h ee l e m e n td i v i s i o n 掣e a t ly ，m o r e o v e rn o d e sa r eo p t i m i z e da n dt h e s p e e do fc a l c u l a t i o ni si m p r o v e d o nm eb a s i so fas i m p l ec a s e ，t a k i n gao v e r f h l id 啪i nac e r t a i ne n g i n e e r i n ga sa n e x a m p l e ，a c c o r d i n gt 0a c t l l r a lc o n s n u c tc o n d i t i o n sa i l de n g i r ”e r i n gi n f o r i l l a t i o n ，d a i i l c o n s t m c tp r o c e s s e sa r es i m u l a t e d t l l r o u g ht h ea n a l y s i so ft e m p e r a t u r ef i e l da 1 1 ds t r e s s f i e l d ，m em a ) 【i m u ms 订e s sa n d 印p e m c et i i i i ea r ef o u n d f u r m e n n o r e ，s e n s i t i v e n e s so f p r o g r a mt ot e m p e r a t u r ea n ds t r e s sf i e l d si sv a l i d a t e db yc h a n g i n gt e m p e m t u r e k e e p m e a s u r e sa n dd e c r e a s i n gw a i 曲o u s i n gt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：m a s st e m p e r a t u r ec o n c r e t e ：c r a c k ：t e m p e r a t u r e 五e l dc o n c r e t ec r a c k ； m a i 【i 1 1 9p m g r a m 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) ： 枣! 。 年6月f 。日 学位论文使用授权说明 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 莹i 窒 “年6月护日 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 混凝土是指由水泥、石灰、石膏类无机胶凝材料和水或沥青、树脂等有机胶凝 材料的胶状物与集料按一定比例拌合，并在一定条件下硬化而成的人造石材。是现 代土木工程中广泛应用的主要建筑材料。在混凝土中，各成分的含量、性能和比例 对混凝土的力学性能有很大的影响。 在水利工程中，很多科研工作者对大体积混凝土作了大量细致的研究，从理论 到施工方法、方案及优化控制等方面己比较完善，并相应制定了一系列规定，也发 表出版了许多文章和专著。如1 9 7 3 年，中国水利水电科学研究院朱伯芳院士。”自编 了我国第一个混凝土温度徐变应力有限元程序，并开创性地将其应用于三门峡坝底 孔温度应力分析中，实现了我国历史上首次大体积混凝土温度应力仿真计算。上世 纪八十年代中期以来，朱伯芳院士针对仿真分析存在的主要问题，相继提出了一整 套求解方法，使大体积混凝土仿真计算的某些问题得到了比较满意的解决；刘宁利 用定解问题的叠加原理，对于环境温度和混凝土绝热温升随机过程的影响，将温度 场定解问题分离为随机环境温度定解问题和随机绝热温升问题，此法较好的解决了 混凝土结构随机温度场问题“1 。7 ”。 但随着设计技术的更新，施工工艺的改进、设备性能的提高，以及大规模复杂 巨型工程的开发建设，需要考虑的施工过程的大体积混凝土温度场温度应力分析的 不确定因素太多，所以仿真计算的条件和方法与一般结构静动力分析大不相同，现 阶段仍有大量问题有待解决。 l 、计算规模与计算速度问题 仿真分析最主要的难点在于存储量大运算速度慢，针对计算量问题，朱伯芳院 士提出了多层混凝土结构仿真应力分析的“扩网并层算法”、“分区异步长算法” 等理论。1 ；王建江博士提出了减少网格数量的“非均质单元法”。，在该方法中， 混凝土坝根据各施工层龄期不同，而被逐步合并，在充分考虑了分层施工影响的同 时，计算量得到了简化；河海大学朱岳明教授等提出“非均质层合单元法”“：陈 尧隆，何劲1 9 9 8 年提出了三维有限元温度应力分析的浮动网格法“”“，根据混凝土 材料特性与龄期的关系，将薄层网格浮动为一个大网格形式或若干个大网格，减少 河海大学硕士学位论文 了网格数，从而节省了机时。总的来讲，按传统方式编制的有限元程序对单元剖分 编码顺序要求较高，给数据处理工作带来不便，也在一定程度上影响了计算效率。 2 、计算参数很难真实的描述 反映混凝土热学性质的参数主要有混凝土的导温系数、导热系数、环境、热交 换系数、绝热温升变化等；反映混凝土力学性质的参数主要有混凝土的弹性模量、 混凝土单轴极限抗压和抗拉强度以及混凝土的徐变和自生体积变形；混凝土的绝热 温升、弹性模量、徐变度和自生体积变形严重地依赖着混凝土的龄期，这是使温度 场应力场计算复杂化的最重要因素，所以如何正确模拟计算参数也研究中的难题。 本文采用有限元近似计算方法分析大体积混凝土中的温度场温度应力，推导出 其计算公式并参与编制三维有限元温度场应力场计算程序，对单元的剖分无编码顺 序上的要求，通过详细算例验证程序的正确性，使之能在输入有限数据后就能预估 出最高温度及温度变化，找出温度场应力场分布规律。 1 。2 大体积混凝土结构的特点及温度应力对混凝土结构的影响 1 2 1 大体积混凝土结构的特点 l 、混凝土是脆性材料，抗拉强度只有抗压强度。1 的l 1 0 左右，拉伸变形能力也 很小； 2 、大体积混凝土结构断面尺寸比较大，混凝土浇筑后，由于水泥的水化热， 内部温度急剧上升，此时混凝土弹性模量很小，徐变较大，升温引起的压应力不大； 但随时问温度逐渐降低时，弹性模量比较大，徐变较小，在一定的约束条件下会产 生相当大的拉应力； 3 、大体积混凝土通常是暴露在外面的，表面与空气或水接触，一年四季中气 温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力； 4 、大体积混凝土结构通常只是在表面或孔洞附近配置少量钢筋，与结构的巨 大断面相比，含钢率极低，因此如果出现拉应力，就要依靠混凝土本身来承受。 1 2 2 温度应力对混凝土结构的影响 在大体积混凝土结构中。“”，由于混凝土结构的热传导性能差，其周围环境气 温以及日辐射等作用，将使表面温度迅速上升( 降低) ，但结构的内部温度仍处于原 来状态，在混凝土结构中形成较大的温度梯度，混凝土结构的各部分处于不同温度 第一章绪论 状态。这种温度变化不但能产生温度变形。还可能引起裂缝，对结构的应力状态也 具有重要影响，当被结构的内、外约束阻碍时，会产生相当大的温差应力，有时温 度应力在数值上可能超过其他外荷载引起的应力。因此，几十年来，温度应力问题 一直是混凝土工程结构中的一个重大课题。 温度应力与结构形式、气候条件、旌工过程、材料特性及运行条件等多种因素 有密切关系；温度应力的变化是复杂的，温度应力的分析比水压力、自重等其他外 荷载的分析要复杂的多。上世纪5 0 年代起。，国内外学者从对桥墩裂缝的现场调 查分析中，认识到温度应力对混凝士结构的重要性。例如，专家们对三门峡重力坝 孔口应力的研究结果表明，按照荷载产生应力的太小排列，各种荷载的次序是：温 度、内水压力、自重、外水压力，而且温度应力比其他各种荷载产生应力的总和还 要大。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，青铜峡水电站，为建国初期设计的，因缺乏经验，对温度应力的重要性认识 不够，在寒冷地区采用了河床式电站薄壁结构，又没有采取有效的温度控制措施。 开工以后产生了严重裂缝现象，被迫停工处理，延误工期数年；加拿大的r e v e l s t o k e 。”重力坝在上游面产生了严重的劈头裂缝；前苏联5 0 年代在寒冷的西伯利亚修建的 几座重力坝，无一例外的出现亍严重裂缝；英国渡桥镇几座冷却塔的严重裂损”“ 等等。 1 3 温度问题的研究现状 国外对大体积混凝土结构温度应力的研究是从上世纪3 0 年代中期美国修建鲍 尔德坝( 现改称为胡佛坝) 4 1 开始的。白上世纪4 0 年代至7 0 年代，美国垦务局，( 前) 苏联水工研究院，日本京都大学森忠次教授等对大体积混凝土的实际设计和施工技 术、温度控制标准、温度控制措施等都作了深入的研究，如浇筑块的合理分缝分层， 适当减小水泥用量，选择低热水泥，各种骨料预冷方法( 由各种单独冷源冷却到水 冷、真空气化法、风冷等几种方法的综合冷却法) 和对温度场、温度应力和温度裂 缝发生的设计计算等。其重点在于防止大体积混凝土出现裂缝，即抗裂。同时也探 求对已出现的裂缝进行有效处理的各种技术措施。在温度应力计算方面，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发生严重裂缝的情况进行了分析， 提出了横向温度应力估算值，定量地讨论了厚壁箱梁的温度应力问题，认为温度应 力是预应力箱梁发生裂缝的主要原因。河海大学张子明教授对不同养护温度条件下 河海大学硕士学位论文 的混凝土绝热温升进行了研究“”1 ，采用化学反应速率描述时间和温度对混凝土绝 热温升的影响，探讨化学反应速率与养护温度之间的关系；丁宝瑛等在温度应力计 算中考虑材料参数变化的影响圳。 5 0 年代以后，随着我国筑坝工程的开展，我国对大体积混凝土的温度应力和温 度控制问题也作了大量的研究工作，取得了很大的成就。潘家铮。2 “、朱伯芳。1 等 提出了大体积混凝上温度控制设计的整套设计理论，解决了浇筑温度计算，水泥水 化热和绝热温升计算，外界温度( 气温、库水温度、日照辐射等) 计算，结构温度场 的差分解和有限元解法，提出各种边界和初始条件下的板梁、圆管、浇筑块、拱坝、 支墩坝、重力坝等温度应力分析方法。这些研究工作的主要目的在于控制大体积混 凝土结构的温度以防止其开裂。 过去，水利水电工程由于施工工期长、施工环节多、影响因素复杂，尤其是缺 乏有效的管理和控制手段，特别当各种不利因素发生时，很难及时发现这些因素对 工程的影响程度，更难于进行科学决策，造成工程拖期和费用大幅提高。7 。3 “。而计 算机模拟系统模拟混凝土施工过程，计算出混凝土温度场及温度应力，不仅可全面、 周密地反映各种影响混凝土施工的因素，而且比较容易改变旌工参数、修改方案和 进行多方案比较及敏感性分析，可完全弥补传统工程类比法的缺点。因而，采用计 算机模拟旋工，不仅可减轻技术人员的计算强度、难度和缩短施工方案的制定时间， 同时也能提高施工方案和机械利用率等定量指标的准确性，指导工程设计和施工管 理。 我国在近2 0 年来，将计算机模拟技术作为一项新技术，对大体积混凝土工程的 温度场应力进行计算，广泛应用于如沙牌。“1 、三峡“1 、溪洛渡。、小湾啪1 、景洪。7 1 等多个水利水电工程中。成功的解决了过去依靠人工手段无法解决的许多难题，显 著提高了设计人员和项目管理人员的效率，取得了巨大的技术经济效益。目前，计 算机模拟仿真技术作为施工组织设计的重要手段，大大促进了设计工作的深度和精 度；作为工程建设过程中的管理手段，大大促进了工程管理和决策的及时性和科学 性。 采用有限元。“”以及其他方法，模拟大体积混凝土浇筑过程的实际情况，对大 体积混凝土温度场应力场计算，模拟混凝土弹性模量、水化热、徐变变形、自生体 积变形等材料特性随时间变化的具体情形，模拟实际工程中所采用的各种温控措施 第一章绪论 以及施工过程中的气温、水温、水位、日照等因素的变化，确定合理的温度、位移 边界，得出温度及应力的分布和变化规律，就是大体积混凝土温度及温度应力计算 的内容和任务。 1 4 本文主要研究内容 首先介绍了温度问题的研究历史，当今温度问题的研究现状：接着简单分析了 大体积混凝土结构温度裂缝的成因及温度控制标准和温控防裂措施；阐述了温度场 温度应力场三维有限元计算的基本理论，并参与编制了大体积混凝土三维温度场应 力场计算程序，在傈证计算精度的前提下，简化了数据输入的工作量，通过程序的 进一步优化，大大提高计算速度，在单台p c 机上就可以得到理想的计算结果。 为了程序的高效使用，把原本复杂的数据处理融入计算核心程序之中，用户对 数据的准备与普通的结构分析一样简单。在计算建模方面，每批浇筑混凝土的单元 和节点都无需按顺序编码，极大的方便单元剖分工作，并且对节点码进行优化，提 高了计算速度；可以在温控分析中考虑钢筋或预应力钢筋对混凝土的加强作用。 以某水电站溢流坝段为例，利用工程原始实验资料对主要热力学参数进行曲线 拟合，反演出计算公式中的系数，根据混凝土的实际浇筑情况，对混凝土结构中的 非稳定温度场进行三维有限元计算分析，通过多种工况的计算，模拟工程施工过程， 通过分析温度场计算成果，找出最高温度出现时间，进一步考证了变换保温措施和 降低入仓温度程序对温度场的敏感性。 河海大学硕1 ：学位论文 第二章大体积混凝土温度裂缝机理分析 2 1 概述 大体积混凝土水工结构，如大坝、船闸、泄洪建筑物、电站厂房等，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准稳定温度场，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，一般在浇筑后的3 5 天左右，此时由于体积膨 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，还处于塑性阶段的原故) ，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原故) ，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 表面裂缝形成了坝体表层的弱点，在继续降温过程中，最容易出现具有破坏性的裂 缝“州。 2 2 大体积混凝土裂缝的分类 大体积混凝土裂缝，按原因及性质“”主要归纳为下列几类： ( 1 ) 基础贯穿裂缝。位于坝块基础部位，裂缝宽度较大并穿过几个浇筑层。如 图2 1 所示，这类型裂缝一般发生于坝块浇筑后期的整体降温过程中，或长间歇的 基础浇筑层受气温骤降及内部降温的联合作用，缝宽表现为上大下小，这是由于基 础约束限制了坝块底部位移的缘故。对严格温控的坝块，一般很少发生这类裂缝。 一旦发生这类裂缝，需查清原因，认真处理，防止继续向上发展。 6 第二章大体积混凝土温度裂缝机理分析 图2 1 基础贯穿裂缝示意图 ( 2 ) 深层裂缝。裂缝限于坝块表层，但其深度及长度较大，贯通了整个仓面及 浇筑层。如图2 2 所示，这类型裂缝发生于大坝施工过程中，多为长间歇浇筑层顶 面不断受气温骤降作用或长期暴露受气温年变化引起的内外温差与气温骤降联合 作用，或浇筑层底部成台阶状造成的，现场中比较常见，需根据裂缝发生的部位， 坝体内部温度状态及边界条件，作妥善处理，以防止继续发展为基础贯穿裂缝。 图2 2 深层裂缝示意图 ( 3 ) 表面裂缝，是大体积混凝土最常见的裂缝，分水平和竖向，其长度及深度 一般较小，未贯通整个仓面和浇筑层，如图2 3 所示，主要是坝块在浇筑过程中， 层面间歇受气温骤降作用引起的。这类裂缝多发生在混凝土早龄期，具有明显的规 律性。 河海大学硕士学位论文 图2 3 表面裂缝示意图 ( 4 ) 网状裂缝。一般发生在坝块的暴露面，裂缝形态及分布很不规则，且深度 极浅，往往是由于混凝土浇筑后养护不善造成的，尤其是高标号混凝土的表面在早 期极易出现这类型裂缝。这类裂缝实际上是由于表面干缩造成的，所以，浇筑层表 面，特别是高标号混凝土，必须及时进行保湿养护，否则就容易出现这类网状裂缝。 ( 5 ) 劈头缝。是发生在坝体上游面的竖向裂缝，它虽然从性质上不能单独列为 一类，但从近期国内外大坝裂缝处理情况来看，由于它发生位置的特殊性，发展并 带来危害的程度相当大。事实上裂缝的性质可以转化而不是固定不变的，表面型裂 缝可以发展为深层或基础贯穿裂缝。劈头缝一般在早期只是发生在坝体上游面的表 面裂缝，但由于长期暴露，受气温不断变化与气温骤降作用，尤其蓄水后受水温及 渗压的作用，极易向纵深发展。国内外不少大坝因发生劈头缝，在运转期不得不花 费大力气进行处理。所以不论从裂缝的发展和可能造成的危害来看，都应该避免发 生劈头缝。 2 3 大体积混凝土裂缝成因分析 2 3 1 混凝土建筑物裂缝的危害性 裂缝是水工混凝土建筑物最普遍、最常见的病害之一，不发生裂缝的混凝土建 筑物是极少的。而且混凝土裂缝往往是多种因素联合作用的结果。裂缝对混凝土的 危害程度不一，严重的不仅危害建筑物的整体性和稳定性，而且会产生大量的漏水， 使闸坝及其它水工建筑物的安全运行受到严重威胁。另外，裂缝往往会引起渗漏溶 蚀、环境水侵蚀、冻融破坏及钢筋锈蚀等危害。这些病害与裂缝形成恶性循环，会 对水工混凝土建筑物的耐久性产生很大的危害。 据查阅资料，水利水电混凝土工程出现过裂缝的例子如：马头寨溢洪道1 9 8 8 年3 月浇筑混凝土，1 9 9 2 年混凝土浇筑完工，1 9 9 1 年2 月陆续在进口底板、陡坡 8 第二章大体积混凝土温度裂缝机理分析 底板、侧墙及闸墩等部位发生裂缝6 9 条，总长达9 3 1 米以上；葛洲坝一期工程各 类建筑物共出现3 1 5 6 条( 4 0 7 条万米3 ) ；丹江口工程初期发生裂缝1 0 5 0 条，后期 发展到3 3 2 7 条，1 9 6 2 年被迫停止施工，处理时间长达四年之久；黄龙滩水电站出 现裂缝7 0 0 余条；桓仁电站发生2 0 0 0 多条裂缝“；美国的德沃歇克( d w 。r s h a k ) 实体重力坝。“1 ，工程在1 9 6 8 1 9 7 2 年建设，各项温度控制措施在施工过程中得到 了严格实行，施工期中未发生严重结构裂缝，被认为在温控上取得良好的成绩，但 运行数年后，在9 个坝段上出现了劈头裂缝：加拿大的雷威尔斯托克实体重力坝， 1 9 8 0 7 1 9 8 3 1 2 建设，在施工过程中就出现裂缝；日本大森川大头坝( 1 9 5 8 1 9 5 9 年) ，1 9 5 8 年8 月在四个坝段上游面发生了垂直裂缝，后在裂缝层顶面及上一浇筑 层上游面均铺设水平钢筋，防止裂缝扩展：前苏联马马康宽缝重力坝( 1 9 5 6 1 9 6 1 年) 的这类型缝更为严重，有三个坝段裂缝向内扩展，再向两侧分叉穿出，将大头 分成2 3 块1 】。 2 3 2 混凝土结构裂缝的成因分析 总之，混凝土结构物出现裂缝”1 是颇为常见的现象，分析起来有内部和外部原 因，设计不周、计算简化、地基处理不善、分缝分块尺寸不合理，浇筑顺序不当、 混凝土水化热、施工质量欠佳、运行工况、外界气温变化等，都有可能引起混凝土 裂缝。但对大体积混凝土而言主要是由于混凝土的温度变形受约束而产生的，在大 体积混凝土坝中，一般有两种显著的约束情况，一种是混凝土浇筑在比较坚硬的基 岩或老混凝土上时，混凝土浇筑初期的水化热升温，产生膨胀，受到岩石或老混凝 土约束，将产生较小的压应力，这是因为，早龄期混凝土的弹模小，还处在塑性状 态的缘故，所以，当后期出现较小的温降时，即可将压应力抵消。而当混凝土温度 继续下降时，由于基岩( 或老混凝土) 对降温引起的收缩变形约束的结果，混凝土块 内将出现较大的拉应力，尤其施工期混凝土温度的剧烈变化以及与浇筑时间有关的 混凝土各层面的温差影响更大。但混凝土块由最高温度降至稳定温度场或施工期准 稳定温度场，需要经历很长的时间，混凝土的强度和弹模在一定时间内，都会随着 龄期而增长，只要对基础块混凝土进行适当的温度控制混凝土块本身的抗拉强度， 即可以防止开裂。因此，要达到防止裂缝的目的，并不是不可能的。最危险的情况 是：当基础块混凝土，在早龄期遇到气温骤降，在坝块表层，首先出现表面裂缝， 而在后期混凝土块继续降温过程中产生的拉应力，使表面裂缝不断向纵深发展，因 9 河海大学硕士学位论文 而形成破坏大坝整体性的贯穿性裂缝。 坝块表面裂缝的发生和发展，不仅和坝块的温度、混凝土的强度与浇筑质量、 混凝土的龄期、外界气温、结构形式和坝块尺寸等有关，也和坝块在施工过程中所 处的位置、拆模时间等也有密切的关系。在一般情况下，由于气温骤降在混凝土表 层引起的温度应力与混凝土的抗裂能力是主要矛盾。当混凝土的强度和浇筑质量较 差，混凝土的抗裂能力不能保证时，矛盾的主要方面是混凝土的抗裂能力。但当混 凝土的抗裂能力得到保证时，矛盾的主要方面就将转化为气温骤降引起较大的温度 应力。此外，在某些特定的条件下，其他的一些因素也可能转化为主要矛盾。 对于基础贯穿裂缝，是由于混凝土浇筑温度过高，加上混凝土的水化热温升， 形成混凝土的最高温度，当降到施工期的最低温度或降到水库运行期的稳定温度 时，即产生基础温差，由这种均匀降温产生的温度应力，当其大于同龄期的混凝土 抗拉强度时，就将产生混凝土裂缝，这种裂缝是混凝土的变形受外界约束而发生的， 所以它整个断面均受拉应力，一旦发生，就形成贯穿性裂缝。对整个结构的应力状 态，在运行阶段具有不容忽视的影响，所以温控设计与结构设计具有同等重要的意 义。 2 4 温度控制标准与防裂措旋 如何防止混凝土建筑物出现裂缝一直是水利水电工程建设中的主要问题。对大 体积混凝土进行温度控制的目的，一是防止由于混凝土温升过高、内外温差过大及 气温骤降产生各种温度裂缝：二是为做好接缝灌浆，满足结构受力要求，提高施工 工效，简化施工程序提供依据。”1 。 2 4 1 温度控制标准 1 、基础容许温差。即基岩约束范围内的混凝土最高温度与稳定温度之差。控 制基础温差，目的是防止坝块基础部位温度过高，降温时受基础约束产生较大的温 度应力而引起基础贯穿裂缝。 允许温差通用计算公式 盯 盯】_ 竽 ( 2 1 ) q 0 5l 5 5 7 31 6 ，71 9 52 2 2 3 7 5 5l g 52 2 22 5 0 2 7 3 72 2 22 5 o 不限制 1 8 2 72 5 o 不限制 不限制 1 82 7 8不限制不限制 2 、上下层容许温差”1 。上、下层温差系指其接触面( 先浇混凝土龄期超过2 8 d ) 上、下层各，4 范围内，先浇混凝土上层最高平均温度与新浇混凝土开始时下层平 均温度之差。建议不超过1 5 2 0 。 3 、内外容许温差。内外温差是指坝块中心温度与边界之差。内外容许温差大 致和基础容许温差相当，一般不宜大于2 0 2 5 。 4 、混凝土最高浇筑温度，有些工程设计对各部位有明确规定，如，五强溪规定 为1 2 1 7 ( 基础约束区) ；隔河岩规定为2 0 2 5 ；万安规定为不高于2 2 ；高坝洲规定为2 0 2 4 ：王甫洲规定为约束区1 8 、非约束区2 8 。对于 没有规定的工程按不得大于2 8 执行“1 。 2 4 2 温度控制措施 水工混凝土温控防裂的综合措施主要有：选用中热或低热水泥最好是具有微膨 胀性能的混凝土，必需具备足够大的抗裂能力、合理的分缝分块、有序的施工安排、 控制坝体温度和表面保护等”2 + “。 1 、选择合理的结构形式和分缝分块 第二章大体积混凝土温度裂缝机理分析 经验表明，结构形式对温度应力以及裂缝的产生具有重要影响。如我国东北的 桓仁水电站，采用大头坝，西北的青铜峡水电站采用河床式水电站，这两个工程的 特点是结构单薄，对外界温度的变化比较敏感，而当地气候寒冷，气温年变幅很大， 结果在施工过程中出现了大量裂缝。这些工程实例告诉我们，在大体积混凝土的设 计阶段应充分重视这种影响。特别是在寒冷地区，应尽量少用薄壁结构，因为薄壁 结构对温度变化很敏感。 浇筑块尺寸对温度应力也有重要影响，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的意义。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和减缓应力集中。 2 、选择混凝土原材料、优化混凝土配合比 通过选择混凝土原材料、优化混凝土配合比使混凝土具有较大的抗裂能力，即 要求绝热温升较小、抗拉强度较大、极限拉伸变形能力较大、线膨胀系数较小，自 生体积变形最好是微膨胀，至少是低收缩。 具体做法是： ( 1 ) 选择水泥。采用低水化热，高强度水泥，以提高混凝土的抗裂能力： ( 2 ) 掺用混合材料。以减少用水量、节约水泥，降低混凝土的绝热温升，提高 混凝土的抗裂能力； ( 3 ) 掺用外加剂。减缓水化热的发生速率； ( 4 ) 采用导热性好、线膨胀系数小、级配合理的骨料，减少混凝土温度应力； ( 5 ) 优化混凝土的配合比。优化混凝土的配合比以便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 、控制坝体最高温度 应采取必要温控措施，使坝块实际出现的最高温度不超过坝体设计允许最高温 度，这是防止基础贯穿裂缝或深层裂缝的主要措施之。控制坝体实际最高温度的 有效措施是降低混凝土浇筑温度，减少胶凝材料的水化热温升。 降低混凝土浇筑温度应从降低混凝土出机口温度、减少运输途中和仓面的温度 回升两方面着手。高温季节浇筑基础约束区混凝土，混凝土出机口温度往往要求低 达7 1 0 ，采用主要措施为预冷骨料至o 左右和加冰拌和。减少预冷混凝土的温 度回升，使混凝土浇筑温度满足设计要求，应严格控制混凝土运输时间和浇筑仓面 河海大学硕士学位论文 覆盖前的暴露时间，并研究运输途中和仓面的保温措施，使预冷混凝土的浇筑温度 相对于机口温度的回升率得到有效控制。 降低水化热温升主要靠采用发热量低的中热硅酸盐水泥和低热硅酸盐水泥，选 择较优骨料级配和掺适量优质粉煤灰、外加剂，并采取合理层厚、间歇期和初期通 水冷却等措旋。 4 、合理安排混凝土施工程序和施工进度 合理安排混凝土施工程序和施工进度是防止基础贯穿裂缝、减少表面裂缝的主 要措施之一，也是我国目前大型水电工程旌工与国际先进水平的主要差距之一。应 合理安排混凝土施工程序和施工进度，并努力提高施工管理水平，以利于大坝防止 裂缝。旌工程序和施工进度安排应注意满足如下几点要求： ( 1 ) 基础约束区混凝土在设计规定的间歇期内连续均匀上升，基础约束区混凝土 宜在低温季节施工。 ( 2 ) 脱离基础约束区基本作到短间歇、连续均匀上升。 ( 3 ) 相邻坝块的高差宜控制不超过8 1 2 m ，相邻坝段高差也应基本上控制在这 范围。 ( 4 ) 电站采用错缝施工，相邻块要均匀上升，为防止产生尖角裂缝，控制相邻块 允许高差4 6 m 。施工中严禁采用台阶缝。 ( 5 ) 为防止并缝失效，不仅要求并缝以下的分缝区域混凝土降至稳定温度，而且 宜在低温季节浇筑位于老混凝土约束区范围内的并缝混凝土，并连续均匀上升。 5 、中、后期通水冷却 中期通水是削减坝体内外温差，预防坝块产生表面或深层裂缝的有效措施之一。 对于大坝、大型船闸的边墙、底板等大体积混凝土，计算分析和原型观测均表明在 气温年变化影响下，将不同程度地存在坝体内外温差过大的问题，尤以混凝土浇筑 后的第一个冬季为甚。为防止裂缝，应视不同结构部位与浇筑季节进行分析，在夏 末秋初利用为接缝灌浆而埋没的冷却水管对坝体进行中期通水冷却。中期通水一般 采用河水，通水历时为2 个月左右，以坝体温度降至略高于年平均气温为准。 后期通水是使混凝土柱状块达到接缝灌浆温度的必要措施。一般采用通河水和 通制冷水相结合的方案，以满足大坝分期分批冷却、灌浆的需要。 6 、养护和表面保护 第二章大体积混凝土温度裂缝机理分析 充分养护是保证混凝土强度等性能正常发展和防止干缩裂缝的重要措施。混凝 土浇筑完毕后，应及时洒水养护以保持混凝土表面经常湿润。一般浇筑完毕后1 2 1 8 小时内即开始养护，养护时间视不同水泥品种和结构重要性有所区别，最少不少 于1 4 天，重要部位至少2 8 天。 大坝暴露面大，遇气温骤降极易发生施工初期的表面裂缝；遇气温年变化和气 温骤降也可能发生旌工中、后期表面裂缝或深层裂缝。应根据设计提出的表面保护 标准确定不同部位、不同条件的表面保温要求。应重视基础约束区、上游面及其它 重要结构部位的表面保护。 河海大学硕士学位论文 第三章不稳定温度场的有限元计算 3 1 引言 水工中的闸、坝等建筑物是大体积混凝土结构。当结构温度改变时，它的各个 部分将由于温度的升高或降低而趋于膨胀或收缩。但由于结构所受的外在约束以及 各部分之间的相互约束，这种膨胀或收缩并不能自由地发生，于是就产生了应力， 即所谓的温度应力。温度应力对结构应力状态有重要的影响，而在计算温度应力之 前首先需要计算的就是温度场。本文将用有限元算法“”“1 这一计算工具，解决 温度场计算的问题。 3 2 热传导方程 考虑均匀的”，4 3 1 各相同性的固体，从其中取出一无限小的六面体出由出( 如图 3 1 ) ， 图3 1 礅兀体 在单位时间内从左边界咖出流入的热量为吼咖出，经右边界流出的热量为 g ，。砂出，流入的净热量为0 ，一g ，。) 两舷。 在固体的热传导中，热量口( 单位时间内通过单位面积的热量) 与温度梯度 a 引叙成正比，但热流方向与温度梯度方向相反，即： 旷一 娶 ( 3 1 ) 式中：丑为导热系数，( 卅 ) ；r 为温度，。 显然，热流量叽是x 的函数，将热流量展成t a y l o r 级数并只取前二项，可得： 一，+ 警凼一丑警一五窘 慨z ， 办戚啦 第三章不稳定温度场的有限元计算 于是，沿x 方向流入的净热量为： ( g ，吨+ 。胁= a 窘批 同理，沿y 方向和z 方向流入的净热量分别为： 肿胁= 芬蚴 q ：吧。蚴= a 窘蚴 ( 3 3 ) ( 3 4 ) 设由水泥水化热在单位时间内单位体积中发出的热量为q ，则在体积出咖出内 单位时间发出的热量为9 蚴。 在时间打内，此六面体由于温度升高所吸收的热量为 c 口塑d 枞( 3 5 ) a f 式中：c 一比热，u ( 妇t ) ；t 一时间， ；p 一容重，姆3 。 由热量的平衡原理，从外面流入的净热量与内部水化热之和必须等于温度升高 所吸收的热量，即 叩等d 一= 阿窘+ 等+ 窘) + 9 l 蚴删 d f i 出。卯+出7 化简后，得均匀各向同性固体热传导方程如下 等= 窘+ 寄+ 窘 + 昌 ( 3 ；7 ) 式中：n 一导温系数，口= 州叩， 。 由于水化热作用，在绝热条件下混凝土的温度上升速度为： 丝：旦：堕 ( 3 8 ) a t c pc p 式中：护一混凝土的绝热温升，；矿一水泥用量，培：g 一单位重量水泥在 单位时问内放出的水化热，材( 培西) 。 根据式( 3 8 ) ，导热方程可改写为 等= d 窘+ 窘+ 窘卜筹 氓。， 瓦钏【萨+ 矿+ 矿j + 瓦 河海大学硕士学位论文 如果温度不随时间而变化，a r 阳r = 0 ，由式( 3 9 ) 得 窘+ 窘+ 窘= 。 慨，。， 淑。曲la z l 不随时问变化的温度场称为稳定温度场。 3 3 初始条件和边界条件 热传导方程建立了物体的温度与时间、空间的一般关系，但满足热传导方程的 解有无限多，为了确定我们所需要的温度场，还必须知道初始条件和边界条件。初 始条件为在物体内部初始瞬间温度场的分布规律。边界条件包括周围介质与混凝土 表面相互作用的规律及物体的几何形状。初始条件和边界条件合称为边值条件。 般初始瞬时的温度分布可以认为是常数，即当f = o 时， ，k y ，z ，o ) = = 常数 ( 3 1 1 ) 在混凝土浇筑块温度计算过程中，初始温度即为浇筑温度。 边界条件可以用以下四种方式给出： ( 1 ) 第一类边界条件：混凝土表面温度t 是时间的已知函数，即 r ( ) = 厂( f ) ( 3 1 2 ) 混凝土与水接触时，表面温度等于已知的水温，属于这种边界条件。 ( 2 ) 第二类边界条件：混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即 一 娑：，( r ) ( 3 1 3 ) 式中：”为表面外法线方向。若表面是绝热的，则有婴：o 。 ( 3 ) 第三类边界条件：当混凝土与空气接触时，假定经过混凝土表面的热流 量与混凝土表面温度t 和气温z 之差成正比，即 一a 挈：雕一疋) ( 3 1 4 ) 式中：一表面放热系数，叫( 删2 ) 。 当表面放热系数尸趋于无限时，r = 疋，即转化为第一类边界条件。当放热系 数时= o 时，a 引跏= o ，又转化为绝热条件。 当混凝土与空气接触时，放热系数卢2 4 0 8 0 叫( m 2 ) 。 1 8 第三章爿i 稳定温度场的有限元计算 当混凝土表面附有模板或保温层时，仍可按第三类边界条件计算，但用选择放 热系数的方法来考虑模板或保温层对温度的影响。设在混凝土表面外附有若干保 温层，每层保温材料的热阻为 r ：鱼( 3 1 5 ) 以 式中：曩保温层厚度；丑一保温层的导热系数。 各种材料的导温系数。1 见表3 1 。 最外面保温层与空气间的热阻为1 加，所以若干保温层的总热阻可按下式计算 e = 刍+ 冬 慨坳 混凝土表面通过保温层向周围介质放热的等效放热系数屈可用下式计算 麒2 去2 丽蔗丽 慨m 表3 1各种保温材料的导热系数五 叫( m ) 材料名称 五 材料名称 五 泡沫塑料 o 1 2 5 6 膨胀珍珠岩 o 1 6 7 5 玻璃棉毡0 1 6 7 4沥青0 9 3 8 木板 o 8 3 7 干棉絮 0 1 5