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1、北京交通大学 硕士学位论文 明挖地铁车站混凝土侧墙早期温度场和应力场的计算分析 姓名：陈敏 申请学位级别：硕士 专业：桥梁与隧道工程 指导教师：项彦勇 20060301 摘要 摘要 采用大型有限元分析软件A N S Y S 对明挖地铁车站侧墙温度场和应力 场进行了计算与分析。 为了模拟混凝土在浇筑和养护过程的早期温度场，采用2 横断面模 型和与温度及反应程度有关的水化热函数，考虑双面模板设置，选择( 深 圳市) 不同季节的表征气温作为环境温度，模拟钢模板、木模板及拆模时 间在不同环境温度下对混凝土早期温度场分布与演变的影响方式，对两种 模板的适用环境与合理拆模时间给出原则性建议，针对不同的模板
2、与使用 环境，提出关于混凝土入模温度的要求及措施。 对地铁车站混凝土侧墙在浇筑和养护过程的早期温度应力场进行模拟 计算，模拟采用3 - D 模型，计算了墙型、墙长及墙厚对混凝土早期拉应力 的影响方式，分析了内墙背面约束的影响深度，提出了相应的抗裂措施。 关键词混凝土水化热；早期混凝土；温度场；温度应力；模板养护；叠 合墙；复合墙： A b s t r a c t n l ef i n i t e - e l e m e n ta I l a l y s i ss o f c 、黜，A N S Y S ，i sa d o p t e dt oc o m p u t e 也e t e m p e
3、r a t u r ef i e l da I l ds t r e s sf k l do ft h es i d ew a l l0 fo p e n - c u ts u b w a ys t a t i o n s 缸1 l c t L l r e s T os t i m u l a t ee a r l yc o n c r e t et e m p c r a t u r ef i e l dd l 丽n gc a s 血蟮a n dc u r i n g ， a2 Dc r o s s s e c t i o n a lm o d e li 1 1 c o r p o r a
4、t i n gg t e e lo rt i m b e rf o m l w o r ki se m p l o y e d ， 、i t l lt h eh y d r a t i o nh e a tb e i n gm o d e l e dv i aaf I l n c t i o nd e p e n d e n to nt h e t e m p e r a l = I l r ea 1 1 dt h ee x t e n to f r e a c t i o n T h ec l 姗c t e r i s t i ct e m p e m t u r ev a r i a t
5、i o I l s i nd i f f e r e n ts e a s o n si 芏lS h e n z h e nc i t ya r ec o l l s i d e r e d B a s e do nt h es i m l l l a t e d t c m p e r a l ：u r ed i s 廿i b u t i o na n dc v o l u t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，s u g g e s t i o n sa r cp r o V i d e d o nt h es l l i t a _ b l ec o
6、 n d i t i o l l ，m er a t i o 皿ld i s m 弛t l i I l gt i m e ，m er e q l l i r e m e n t s 缸l d m e a s u r e sf b rs t e e la n dt i m b e r b n n w o r k s F o r 血ee a r l yt e m p e r a t 眦ef i e l da n ds t r e s sf i e l do fn l ec o n c 喊es i d e 、 ，a U o fas u b w a ys 乜t i o ns t r u c t u 埘
7、n gc a s t i n g 觚dc 谢n g ，a3 w Dm O d e l i s 谢1 i z e d t os t I l d yt h ee 舭c t so f w a l lt y p e ，l e n g t ha n dt h i c k I l e s so nt l l es 讹s sd i s t r i b u t i o ni n e a r l y - a g ec o n c r e t e ，髓dt os t u d ym ei 1 1 f l u e I l c ed c p t l lo fm er c s 打a i n to nm e b a c k
8、 o f t h es i d ew a l l C o r r e s p o n d i I l g l y c r a c k - r c s i s t a n tm e a s u r e sa r ep r a V i d e d K e y w o r d s c o n c r e t eh y d r a 把h e a t ，e a r l y - a g ec o n c r e t e ，t e m p e r a m r cf i e l d ， t h e m a ls t r e s s ，f o r m w o r kc u r i I l g ，c o m b
9、i I l e dw a l l ，c o m p o s i t ew a l l I I - 鍪鍪羹薹篓罄爨矍 丰】磁0 皂J I 旦幡侏 僻( = ；j 津i 湛穗满锋：砖瞢蠹鞘浠撼；苄斑浍嚣半嘉撮望豢；谂掣矗。 岳壶错 i j j q 托非j 嘲捌溽淘渐绺蝶小浮涩理崾蔫；咝增孺嚆堪 理：曼型强慎器翟 垦凛塑上埋篡宦耍，虢r 卞防麦一系统m 释浩郴潘 绻瑷碎淌；鞘烈戮甍酝鼬蘸瓠荔瑚爱戒j 闭也 F _ 置引；M 动业：谭壤双 鞴“蕊篷磐嚣输苄十寝甚礴蒋8 i 急珲压聂，氧剁型鞘渊鬻筠“器 “涮捌拍= 苦捉酩醢骂并“醚翳。雾渔滗蔺氖滁壤浠随渤瀚臻 蟛型剥静掣# 占巍幽鸶幂苟；j 掌瞳i 掣
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11、骗弱矗颡鞘线型嚣篓力的褒 花蜒梧鞠毅箕鲥鞋；蒋轭鼎诣疆讨姓岛弱蛙积钧匏霸j 漂醐割薹哗盈 攥馐噔国强；燃燮副饕掣盐薹飘雯塑趟，墨掣鳞型疆哩二掣丑爨善毪 姓基豆煎帮厚刁项墨二剧缸捌瓤商菱酗驯雯暇雕s 竖嚣毫攀勰戳誊； 辅耗割 x 第1 章绪论 凝土是脆性材料，其抗拉强度非常低，常因温度应力导致混凝土结 构受拉而破坏。实际工程中大量的混凝土地下结构，如地铁车站、 隧道、建筑物基础等都受到裂缝问题的困扰。无论是工程设计单位 还是施工单位，对于该问题往往束手无策，只是通过经验判断的方 法进行裂缝控制，然而结果收效甚微。目前对这类由变形变化引起 的裂缝问题大多是通过施工经验来处理的，缺乏理论依据和计算方
12、 法，因而远远不能满足工程上的广泛需要，成了一个急待解决的问 题。因此通过分析建立相应的计算模型，实现对地下混凝土结构温 度应力场的定性分析，对于工程温度变形问题有着极其重要的意 义。 1 2 地铁车站侧墙裂缝的成因及特点 1 2 1 地铁车站侧墙裂缝的成因 长期的工程实践表明，引起地铁车站侧墙开裂的原因是极其复 杂的，由于绝大部分裂缝出现在施工期，此时上部荷载尚未施加， 由荷载引起的可能性不大，通常是由于温度作用和干缩引起的。 施工期地铁车站侧墙存在内外温差。混凝土表面与外界接触， 散热较快，无论在升温还是降温过程中，表面温度总低于内部温 度。即使在混凝土硬化后期，水化热已经散尽，结构体温度
13、接近周 围气温。若此时有寒潮来袭，气温骤降，结构表面急冷，由于混凝 土导热较慢，仍会产生内外温差。这种内外温差将造成混凝土内部 第1 章绪论 构。 7 ) 水化热温升较高，降温散热较快，因此收缩与降温共同作 用是引起混凝土裂缝的主要因素。 8 ) 控制裂缝的方法不像坝体混凝土那样采用特殊的低热水泥 及复杂的冷却系统，而主要靠改进结构设计、合理配筋及改进浇 筑、加强养护等方法提高结构的抗裂性能。 1 3 国内外研究状况 1 3 1 国外关于混凝土结构温度场与应力场的研究 国外对混凝土温度与裂缝研究的起步比国内相对早一些。早在 1 9 3 4 年，前苏联马斯洛夫为解决水坝的温度应力问题，应用弹性力
14、 学理论得出在基岩上矩形平面墙体的温度应力计算公式。计算中假 定基岩与墙体间有一温差，且在墙体内均匀分布，运用求解双调和 方程与确定混合边值条件的方法，最后得到非封闭的无穷级数解 答。 1 9 6 1 年日本京都大学森忠次研究了类似的问题，在刚性假定下 得出各种温度分布时的温度应力计算方法( 包括非线性温度分布) 。 次年，又研究了基岩为非刚性的解答，公式中考虑了内力与墙体尺 寸之间关系，结论认为内力仅与墙体长高比有关。而与其绝对尺寸 无关。 R u p e r ts p r i n g g e n s c h m i d ，R o l fB r e i t e n b u c h e r (
15、 1 9 9 0 ) 2 1 # 人 北京交通大学硕士学位论文 针对早龄期混凝土，用裂缝一一温度关系来对混凝土结构开裂趋势 进行估计，并给出了近似公式，此公式考虑了混凝土搅拌、水泥、 外加剂等的温度影响。 M i c h a e lS t a f fz u r ( 1 9 9 4 ) ”1 对基础底板上的墙体与底板交界处 因混凝土水化热而产生的裂缝进行了分析，给出了理论计算方法， 探讨了如何防止裂缝，提出了对底板进行预冷却，同时对墙体预加 热的技术措施，并且在实际工程中进行了实测，与理论计算结果对 比分析。 F S R o s t a s y ，T T a n a b e ，M L a u b
16、 e ( 1 9 9 8 ) 提出了以补偿平面 法( c o m p e n s a t i o np l a n e ) 计算混凝土结构约束应力，将墙体分为有 限层，分别计算每一层的约束系数，然后迭加得结构约束应力。文 献分析了建筑在岩石、软土以及混凝土上的墙体约束应力问题。 美国加洲大学的威尔逊( E L _ w i l s o n ) 教授旧是世界上最早把有 限元时间过程分析方法引入混凝土坝温度应力分析的。他在1 9 6 8 年 为美国陆军工程师团研制出可模拟大体积混凝土结构分期施工温度 场的二维有限元程序D O T - D I C E ，并用于德沃歇克坝( D W o r s h 8
17、kD a m ) 的温度场计算，威尔逊教授还和他人合作研制了考虑混凝土徐变的 应力分析程序。 美国陆军工程师团的工程师S B T a t r o 和E K S c h r a d e r 1 9 8 5 年 在美国混凝土学会( A C I ) 会刊上发表他们对美国第一座碾压混凝土 坝一柳溪坝( w i l l o wc r e e kD a m ) 温度场一维有限元分析成果，被认 为是碾压混凝土温度场有限元分析的第一份文献。 6 第l 章绪论 1 9 9 卜1 9 9 2 年美国 | 】o o d w a r d C 1 y d e 咨询公司又采用了D O T D I c E 的最新版本对斯太
18、基科奇坝( s t a g e c o a c hD a m ) 的温度场进行二维有 限元分析，重点研究了从施工结束到蓄水完毕的两年多时间内温度 场的变化，较好地反映水库蓄水后水温对坝体温度的影响，这是柳 溪坝一维有限元模型无法考虑的。 S B e r n a n d e r ( 1 9 9 8 ) 。1 分析了温度裂缝产生的原因，提出了裂缝 控制原则，对影响裂缝发展的各种因素进行了分析，总结了裂缝控 制措施。 1 3 2 国内关于混凝土结构温度场与应力场的研究 国内对混凝土早期温度应力的研究，主要集中在大坝混凝土 上，并已经取得了许多有价值的成果。 在大体积混凝土问题上，朱伯芳等人“m “”
19、3 对水工混凝土 结构的温度应力和裂缝控制进行了深入的研究。从1 9 5 6 年开始，朱 伯芳教授对混凝土温度应力问题作了系统研究，阐明了混凝土温度 应力发展的基本规律，提出了混凝土浇筑块、基础梁、熏力坝、船 坞、孔口、库水温度、寒潮、水管冷却等一系列计算方法。对混凝 土徐变力学，提出了徐变应力分析的隐式解法、子结构法和简谐徐 变应力分析的等效模量法。针对混凝土坝分层施工，各层材料性质 不同并随时间变化的特点，提出了并层算法和分区异步算法。其多 数成果已纳入我国水工结构设计规范。 王铁梦“”“”在大量建设实践和现场实验研究的基础上，从力学 北京交通大学硕士学位论文 的角度对混凝土裂缝产生的原因
20、进行了研究，提出了“抗”与 “放”的混凝土设计准则。其主要的内容是：在结构形式的选择方 面，采取微动、滑动及设缝措施，提供“放”的条件；在材料的性 能方面，采取提高抗拉强度、抗拉变形能力及韧性等提供“抗”的 条件。在具体工程中，采取“抗”与“放”相结合，以“抗”为主 或以“放”为主的措施来防止混凝土裂缝的产生。 吴胜兴“”提出了估算混凝土热力学指标的公式，并完善了钢筋 混凝土非线性有限元程序，使之能计算混凝土开裂后的温度应力和 模拟实际结构的开裂情况。 高勋华”7 3 对超厚超长钢筋混凝土结构施工的温控技术进行了总 结，文章认为温度收缩应力是结构混凝土裂缝产生的主要原因，提 出了简便实用的控制
21、温度裂缝计算公式，以及控制温度裂缝的施工 技术措施。 王增春“”针对大面积混凝土在变形荷载作用下的应力计算问 题，建立了三维应力模型，根据构筑物边界条件，推导了大面积混 凝土在变形荷载作用下应力近似解。 刘宁，刘光廷“”。”从随机环境影响因素、混凝土结构的随机热 力学参数、随机绝热温升以及混凝土徐变老化等多种影响方面对混 凝土结构的随机温度以及随机徐变应力的各种计算方法进行了系统 的评述，指出了各种方法的适用性以及今后需要解决的问题。 方义琳，卓家寿。”用刚体界面元法推导了求解温度场问题的方 程，该算法适用于连续以及不连续温度场，建立了刚体界面元法求 8 第l 章绪 论 解温度应力及徐变应力的
22、公式。 张德兴。”对弹性地基上有垂直与水平方向约束的混凝土结构提 出了一种计算温度应力的近似解析方法，通过计算机程序分析板中 温度应力随各种不同参数变化的规律，强调软土地基，尤其是上海 淤泥质土上基础板的非均匀温度应力。 葛世平。3 1 通过对上海地区环境温度以及车站结构内腔温度的监 测，得到季节性温度在车站结构内腔的变化规律，为研究温度变化 引起的车站结构纵向变形及内力提供了基础。模拟车站结构在常规 施工工序，一定的边界条件下，施工阶段混凝土板水化热温度应 力，并将计算所得水化热残余应力作为板中初始应力，在考虑季节 性温差和建成后3 5 年干缩应力的基础上，采用三维有限元分析车 站结构整体纵
23、向温度应力。 温竹茵“”推导了她铁车站的温度、干缩应力及裂缝宽度公式， 用计算实例说明了减小温度应力的措施。 刘杰。5 1 介绍了地下室墙板混凝土的温度应力和裂缝开展的研究 现状，开展了混凝土早期力学性能的实验研究，探讨了地下室墙板 温度场和温度应力的解析法解和有限元法解。 李磊”对钢筋混凝土结构施工中裂缝的形状、位置、数量、出 现时间及发展变化特征进行了统计，并对裂缝的产生原因进行了分 类分析。改进了应力计算模型，推导了地下墙板和四周有约束的楼 板混凝土温度应力的解析解，结合施工过程中其它因素，找出了施 工中裂缝的主要原因。 9 北京交通大学硕士学位论文 万在龙M 首先完成了大量的关于混凝土
24、早期材料性质的实验， 如抗压强度、弹性模量以及收缩随龄期的发展曲线。在此基础上， 结合混凝土内部宏观湿度场扩散模型与微观收缩机理模型，来模拟 混凝土内部温湿度场变化，以及其结构早期的应力应变随龄期的发 展。同时开发了三维有限元分析软件，用于混凝土早期变形的预 测。 1 4 本论文的研究内容 本论文研究是地铁明挖车站混凝土侧墙早期的温度场和应力 场，具体内容为： 1 ) 钢模板、术模板的适用环境与合理拆模时间? 入模温度的 要求及措施? 采用2 D 横断面模型和与温度及反应程度有关的水化热函数， 考虑单面、双面模板设置，选择深圳市不同季节的表征气温作为环 境温度，模拟钢模板、木模板及拆模时间在不
25、同环境温度下对混凝 土早期温度场分布与演变的影响方式和水平，对两种模板的适用环 境与合理拆模时间给出原则性建议，针对不同模板与使用环境，提 出入模温度的要求及措施。 2 ) 重合墙和叠合墙的抗裂措施? 根据重合墙和叠合墙在结构 承载与抗裂方面的特点合理选用墙型? 采用3 D 侧墙模型，考虑模板作用，计算分析内墙背面切向约 束度对混凝土早期拉应力分布与演变的影响方式和水平，提出合理 第1 章绪论 可行的抗裂措施，并从抗裂角度给出各个墙型的适用条件。 3 ) 设置伸缩缝的效果? 采用3 D 侧墙模型，考虑模板作用和不同墙型，计算分析不同 墙长对混凝土早期温度应力的分布与演变的影响，讨论设置伸缩缝
26、的效果。 4 ) 薄壁构件的量化定义? 采用3 D 侧墙模型，考虑不同墙型，计算分析不同墙厚对混凝 土早期温度应力分布与演变的影响，根据内墙背面约束的影响深度 给出地铁侧墙“薄壁”效应的厚度范围。 ：至三堡查兰翌圭茎堡鎏三 第2 章地铁车站侧墙混凝土温度场分析 根据工程资料，车站侧墙混凝土在浇筑和养护期间很容易出现 裂缝。这段时间内，由于水泥水化反应速率较快，混凝土核心位置 温度将很快达到峰值，形成混凝土内部和外表面的巨大温差，易形 成贯穿裂缝。因此对车站侧墙混凝土内部温度场进行预测，避免过 大的内外温差造成温度裂缝，对侧墙混凝土的裂缝控制具有重要的 指导意义。 2 1 混凝土结构的温度场求解
27、方法 由于大体积混凝土工程所处的复杂边界条件和施工情况，精确 计算其温度场和应力分布是比较困难的，对于大体积混凝土的温度 场和温度裂缝产生的规律性仍处于探索和研究之中。但国内外的研 究人员提出了一些基本的计算理论和近似的计算方法。 混凝土温度场求解方法主要有以下几种： ( 1 ) 理论解法。适用于求解边界条件比较简单的一维温度场， 常用的方法有分离变量法和拉普拉斯变换法。 ( 2 ) 差分解法。是一种用差分代替微分的数值解法。常用的有 一维差分法和二维差分法。它是运用有限差分技术进行数值求解， 将物理模型划分为若干个单元，每个单元要求具有均匀的温度、热 流和有效辐射。该方法所选节点能够客观地反
28、映出物理模型的本 质，但节点过多会使数学模型变的复杂以至于带来不必要的麻烦 第2 章地铁车站侧墙混凝土温度场分析 节点太少又不能正确反映物体的实际状态，所以要合理选择模型的 节点。 ( 3 ) 有限单元法。是当前结构温度场分析计算中应用最为广泛 的方法，它是6 0 年代发展起来的一种求解具有边值问题微分方程的 登q 爷I 二髫疆牟M 纂憾蝎甥争青专：0 1 ；薹冀蠹址蠹霆要 蕈蓦；蒸谬羚蝥娶饕鹱霸强嚣；渗爱篷跨谣熏葺穗。往籀兽孬 蕊器含茹弱 ) ( 3 3 4 ) ( 3 - 3 - 5 ) ( 3 - 3 - 6 ) ( 3- 3 - 7 ) ( 33 8 ) 由于弹性模量和徐变度都随时间而
29、变化，故用增量法来进行分 析。把时间f 划分为一系列时段：f l 、乃靠，o = 0 一_ 1 ， 如图 x 北京交通大学硕士学位论文 实践经验表明，一维温度场的计算，采用差分法是方便的。二 维和三维温度场的计算，则以采用有限单元法为宜。与差分法相 比，有限单元法具有下列优点： 1 ) 易于适应不规则边界； 2 ) 在温度梯度大的地方，可局部加密网格； 3 ) 容易与计算应力的有限单元法程序配套，将温度场、应力场 和徐变变形三者纳入一个统一的程序进行计算。 2 2 瞬态温度场的有限元解 2 2 1 导热微分方程 根据热传导理论和能量守恒定理：导入微元体的总热量+ 微元 体内热源的生成热量= 微
30、元体内能的增量+ 导出微元体的总热量原 理，得三维热传导微分方程： 以窘+ 以窘+ t 窘+ Q = 肚署 c z 乒- ， 式中：疋、A 。、屯一一分别为x 、y 、z 方向上的导热系数 p 一一材料密度 c 一一材料比热 卜温度 Q 单位体积内热源生成热 北京交通大学硕士学位论文 鼢+ l - 爿屯) 字鼢 z 埘， 代入式( 2 2 2 2 ) ，得到 【础讣【R 】陆) _ 硼一半卜。= 。 但由式( 2 2 2 1 ) ，有 州飘= ( 日】 L ) + E ( 2 _ 2 _ 2 6 ) 代入式( 2 2 2 5 ) ，得到 ( 【日】+ 壶 x 北京交通大学硕士学位论文 图2 3
31、 1 有限元模型 2 3 2 混凝土绝热放热公式和模型参数 1 ) 混凝土绝热放热公式： 混凝土绝热温升是混凝土温度控制的重要因素，目前常用的温 升表达式有： Q p ) = Q 0 ( 1 一e 一”) Q ( r ) = 黑 Q ( ) = 骗( 1 一e 一一) Q ( f ，r ) = 酝( 1 一P 一4 一。) ( 2 3 一1 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 3 ) ( 2 3 4 ) 式中，f 为龄期：Q 0 为最终绝热温升；脚、力、a 和6 为常数。 第2 章地铁车站侧墙混凝土温度场分析 这些表达式只考虑了混凝土龄期的作用，而没有体现混凝土温 度以及反应程度的影响。事实上
32、温度越高，水泥水化反应越快。因 此，很多人也在这些公式的基础上，提出了一些考虑温度影响的温 升表达式m 仲。 本次计算采用一种新的考虑温度影响的混凝土绝热放热公式。o 盆= 盆， t 一“一 - 竹唧悟B 一吾 t ) 幺，幺， ( 2 _ 3 _ 5 ) 式中，Q f 为第f 时间段水泥释放的热量，Q 0 ，为第f 时间段开始时水 泥水化热量，m 。( 7 1 ) 为依温度不断变化的水泥水化热系数，表示水 泥水化快慢的参数，与温度的关系服从A r r h e n i u s 方程，反应活化 能E 的取值随水泥的品种、成份不同而不同，应根据试验或实测 资料反分析来确定，f ，为离散时间第f 段
33、的长度，( 珐，Q 0 ) 4 表征水 泥反应程度对放热的影响，系数刁对于早强性水泥混凝土建议取 1 。 2 ) 模板和混凝土热性能参数： 表2 3 1 模板和混凝土热性能参数 密度比热导热系数 材料 ( 堙聊3 )( U ( 培9 c ) )( 材“m 。C ) ) 混凝土2 4 0 0 0 9 4 8 8 5 9 5 木模板 2 5 01 8O 8 3 7 钢模板 7 8 5 0O 6 71 6 3 2 9 3 ) 混凝土中水泥的相关参数： 混凝土中水泥用量为：3 2 0 堙，m 3 ：水泥水化热为： 北京交通大学硕士学位论文 4 2 0 u ，七g ；入模温度为：2 0 ：混凝土绝热放热
34、公式中的水化热 放热系数为：O 0 1 5 ( 1 由) ；星取7 6 4 4 矾 4 ) 空气中对流放热系数： 固体表面在空气中的放热系数的数值与风速有密切关系，一般 固体表面在空气中的放热系数可以通过以下两个公式计算： 粗糙表面：= 2 3 9 + 1 4 5 0 K ( 2 3 6 ) 光滑表面：卢= 2 1 8 + 1 3 5 0 K ( 2 3 7 ) 式中：叱代表风速，m s ；卢代表放热系数，材( m - 。c ) 。 假设在混凝土浇筑养护期间，环境的风速不变，混凝土、木模 板和铜模板的表面对流放热系数为固定值( 其值如下) 。 混凝土表面对流放热系数为：5 5 材，( 脚 -
35、。C ) ； 木模板表面对流放热系数为：4 9u “掰_ I l ) ； 钢模板表面对流放热系数为：4 5u ，( 肌 。c ) 。 5 ) 外界环境温度： 2 0 0 4 年深圳市1 月和7 月的气温参见表2 3 3 2 。根据表2 3 2 记录，假设在深圳夏季施工时每天的最高气温均为气温3 2 5 ， 最低气温2 4 6 ，入模温度2 0 。假设在深圳冬季施工时每天的 最高气温均为气温1 9 5 ，最低气温1 0 2 ，入模温度2 0 。气 温日变化可用余弦函数表示为： L = z 。+ 以c 。s 吾。一气， c z s s ， 第2 章地铁车站侧墙混凝土温度场分析 式中，代表气温( )
36、 ，代表日平均气温( ) ，4 代表气温 日变幅( ) ，代表时间( 五) ，“代表气温最高的时间( 五) 。 表2 3 22 0 0 4 年深圳气象观测摘要 时间月平均最高气温月平均最低气温月最高气温月最低气温 2 0 0 4 年7 月 3 0 5 2 6 6 3 4 6 2 2 7 2 0 0 4 年1 月 1 7 5 1 4 2 2 3 4 8 0 2 3 3 计算分析 温度应力是引起大体积混凝土裂缝的主要原因，温度应力分析 的主要目的在于查明可能引起裂缝的各种温度状况，然后根据分析 结果及混凝土的抗裂能力( 材料的极限拉伸值、或抗拉强度) ，提出 温控要求。为设计和施工应用方便起见，一
37、般是提出各种允许温 差。不同工程条件下，允许温差也存在差异。根据国内外工程实践 和理论研究，一般控制大体积混凝土内外温差在2 5 以内，以减少 或避免混凝土早期裂缝( 尤其是表面裂缝) 。 在此次混凝土温度场模拟中，选取有代表性的两点( 新浇筑混 凝土中心点A 和侧面中心点B ) 的温度变化历程及两点的温差来进 行研究分析。 1 ) 浇筑季节、模板类型 x ! ! 量銮兰盔兰矍圭耋堡丝兰 5 0 4 8 4 6 “ 艟 4 。 3 8 巴3 6 3 4 趟3 2 赠3 0 2 8 2 6 2 4 2 2 2 0 p u 蜊 赠 O“4 87 29 61 2 01 “1 e 81 9 22 1
38、6轴O 时间( h ) a ) 木模板养护 O 2 44 87 21 2 01 “1 6 81 9 2 2 1 62 4 0 时间( h ) b ) 钢模板养护 图2 3 2A 、B 两点温度计算值时间历程( 夏季一1 ) 2 6 - 矗；船惦“艟加罅M牡怂嚣“笠 塞：耋兰簦王兰型苎鎏兰圭兰耋薹坌堑 表2 3 3A 、B 两点的最大温差( 夏季一1 ) 拆模时间 2 4 h3 6 h4 8 h 最大温差( )9 91 0 66 5 木模板 产生最大温差时的时间 3 8 h4 0 h3 8 h 最大温差( ) 9 0 8 98 2 钢模板 产生最大温差时的时间 3 8 h3 8 h3 8 h b
39、 ) 夏季在气温最低时浇筑，分别采用木模板和钢模板，在浇 筑完成2 4 h 、3 6 h 、4 8 h 后拆模。结果如图2 3 3 、表2 3 4 所示。 p V 趟 赠 O2 44 87 2孵1 2 01 “1 6 81 鸵2 1 62 4 0 时间 ( h ) a ) 木模板养护 蛆“啦柏拈弘弛憩嚣N牡 苎：主苎簦王兰型耋鎏耋圭鎏墨塑坌丝 3 4 3 2 3 0 2 8 2 6 p 2 4 V 2 2 蜊2 0 赠1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 3 0 2 8 2 6 2 4 p2 2 V 螂2 0 赠 1 8 1 6 1 4 时间( h ) a ) 木模扳养护 时间 ( h )
40、b ) 钢模板养护 图2 3 4A 、B 两点温度计算值时间历程( 冬季一1 ) 2 9 i i 至奎翌奎耋堡圭兰堡篓三 表2 3 5A 、B 两点的最大温差( 冬季一1 ) 拆模时间 2 4 h3 6 h 4 8 h ( 7 2 h ) 蹑大温差( ) 1 0 01 0 68 5 ( 6 6 ) 木模板 产生最大温差时的时间 3 8 h 4 0 h 6 0 h ( 4 0 h ) 最大温差( ) 8 28 17 5 钢模板 产生最大温差时的时间3 8 h 3 8 h3 8 h 十注：表中括号中的数字代表另一种拆模时间，以使在混凝土养护期间，最大温差出 现在拆模之前。 d ) 冬季在气温最低时
41、浇筑，分别采用木模板和钢模板，在浇 筑完成2 4 h 、3 6 h 、4 8 h 后拆模。结果如图2 3 5 、表2 3 6 所示。 3 4 3 2 3 0 2 8 2 6 p 2 4 V2 2 避2 0 赠，B 1 e 4 1 2 1 0 时闻( h ) a ) 木模板养护 3 0 苎：主兰釜耋彗堡兰翌兰圭兰墨兰2 篓 “ 3 2 3 0 2 8 2 6 p2 4 V 2 2 越2 0 赠1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 O2 44 8 7 2 1 2 01 “1 6 81 鸵2 1 B2 4 0 时间( h ) b ) 钢模板养护 图2 3 5A 、B 两点温度计算值时间历程( 冬季
42、一2 ) 表2 3 6A 、B 两点的最大温差( 冬季一2 ) 拆模时间 2 4 h3 6 h4 8 h ( 7 2 h ) 最大温差( ) 1 0 49 4 9 8 ( 6 2 ) 木模板 产生最大温差时的时间 2 8 h4 8 h 5 2 h ( 5 0 h ) 最大温差( ) 8 57 87 8 钢模板 产生最大温差时的时间2 8 h2 8 h2 8 h + 注；衰中括号中的数字代衰另一种拆模时间，以使在褪凝土养护期问，最大温差出 现在拆模之前 从图2 3 2 、图2 3 3 、图2 3 4 和图2 3 5 可以看出，采用 木模板比采用钢模板A 、B 两点混凝土的绝对湿升要高，并且采用
43、木模板拆摸的时间对A 、B 两点的温度变化的影响是很明显的：相 3 1 北京交通大学硕士学位论文 反地，采用钢模板拆摸，其时间对A 、B 两点的温度变化的影响是 微乎其微的。产生这种现象的原因是由于木模板的保温性能要大大 优于钢模板，采用木模板比采用钢模板能使B 点受外界环境温度的 影响小。 从表2 3 3 、表2 3 4 、表2 3 5 和表2 3 6 中可以看出，只 要拆模时间比较长，使A 、B 两点最大温差出现在拆模之前，还是 选用木模板能使两点温差小。但是如果选择木模板的时候，拆模时 间选择不合理，反而会使A 、B 两点的最大温差较大。 从产生最大温差的时间来看，一般发生在模板拆除的时
44、间前 后，或者发生在外部环境温度在最低的时间。因此，拆除模板的时 候应尽可能错开这些时间。 2 ) 混凝土入模温度的影响 在混凝土的早期温度场中，混凝土的入模温度是一个重要因 素，它是新浇筑混凝土的起始温度。图2 3 6 和图2 3 7 就是在采 用木模板时，入模温度不同条件下的A 、B 两点温度计算值时间历 程。 夏季气温最高时浇筑，拆模时间为7 2 h ，入模温度分别为2 0 ，2 9 时，A 、B 两点的温度变化如图2 3 6 。冬季气温最高时浇 筑，拆模时间为7 2 h ，入模温度分别为2 0 ，1 5 时，A 、B 两点 的温度变化如图2 3 7 。 从图2 3 5 、图2 3 6
45、和表2 3 7 可以看出，无论是夏季施工 还是冬季施工，混凝土入模温度越高，A 、B 两点的最大温差越 3 2 - 第2 章地铁车站侧墙混凝土温度场分析 大。这是由于入模温度越高，早期混凝土的水化反应越快，释放的 热量也越多，从而导致混凝土整体温度的升高，而由于混凝土表面 散热的影响，使混凝土中心点和表面上的温差更容易加剧。 p V 趟 赠 p V 魁 赠 O 2 4 4 8 7 21 1 “1 6 81 9 22 1 62 4 0 时间( h ) 图z 一3 6A 、B 两点温度计算值时间历程( 木模板，夏季) 3 6 3 4 3 2 O2 4柏7 21 2 01 4 41 1 9 22 1
46、 62 4 0 时间( h ) 图2 3 7A 、B 两点温度计算值时间历程( 木模板，冬季) 3 3 - 驺弱H轮拈帕“驼柏拍5孔鸵船嚣斟丝 怂丝娩加协惦 北京交通大学硕士学位论文 表2 3 7A 、B 两点的最大温差( 木模板) 入模温度 1 5 2 0 2 9 最大温差( ) 6 58 ，l 夏季 产生最大温差时的时间 3 8 h1 8 h 最大温差( ) 6 26 6 冬季 产生最大温差时的时间8 8 h3 8 h 2 3 4 结论 使用A N s Y s 软件，对深圳某明挖地铁车站混凝土侧墙早期温度 场进行有限元模拟，通过分析浇筑季节、模板类型、浇筑时间、拆 模时间和入模温度对混凝土
47、早期温度场的影响，为减小侧墙混凝土 表面和中心点的温差，对深圳明挖地铁车站侧墙的混凝土施工和养 护，提出以下几点建议： ( 1 ) 不论是夏季还是秋季施工，应尽可能的采用木模板来施工， 如遇气温变化更加剧烈的天气，还应采取保温性能更好的模板 材料进行施工； ( 2 ) 在采用木模板施工的时候，应尽可能延长拆模的时间，采用 混凝土带模养护； ( 3 ) 应尽可能地避免在外界气温最低或混凝土中心点温度最高的 时拆模； ( 4 ) 浇筑时，在不影响混凝土强度增长的基础上，采取适当方法 降低混凝土的入模温度。 3 4 - 第3 章地铁车站侧墙湿凝土应力场分析 第3 章地铁车站侧墙混凝土应力场分析 3
48、1 混凝土的徐变和应力松弛 3 1 1 混凝土的徐变 理想弹性体在单向受力条件下，其应力f = d 五，式中层为混 凝土的弹性模量。按照上式，当应力保持不变为常量时，应变也保 持不变。但实际情况并非如此，实验资料表明，当应力保持常量 时，混凝土的应变将随时间而有所增加，这种现象称为混凝土的徐 变。 实验资料表明，当应力不超过强度的一半时，徐变与应力之间 保持线性关系，徐变( r ) 可按下式计算 ，( r ) = a ( r ) c ( ”) ( 3 一l - 1 ) 式中c ( r ，f ) 是在单位应力作用下产生的徐变，称为徐变度，其量纲 为坳口。因为在龄期z 时加载，到时间r 的总应变是弹性应变 ，( t ) 与徐变r ( 1 ) 之和，即 ，( t ) 与徐变，( 1 ) 之和，即 s ( f ) = s 。( f ) + r ( f ) = 幕叫f ) c ( r f ) = 盯( f ) t ，( ，f ) ( 3 1 2 ) 北京交通大学硕士学位论文 式中，( f ，r ) 称为徐变柔量，其量纲为 勿口。 3 1 2