气温骤降对薄壁混凝土结构温度应力的影响

2014-11-26丁兵勇唐瑜莲

山西建筑 2014年29期

丁兵勇唐瑜莲

(1.华东勘测设计研究院有限公司，浙江杭州 310014; 2.浙江省水利水电工程局，浙江杭州 310020)

大量工程实践资料表明，气温骤降是引起混凝土表面裂缝的主要原因。尤其对薄壁混凝土结构而言，由于结构断面尺寸较小，表面裂缝很容易发展成贯穿性裂缝，严重影响结构的整体性和安全性。针对这一问题，本文采用有限单元法，以某倒虹吸地涵为研究对象，计算分析气温骤降对混凝土结构温度场及应力场的影响。

1 计算原理及方法

1.1 非稳定温度场计算原理及方法

在混凝土计算域R内任意一点处，非稳定温度场T(x，y，z，τ)需满足热传导方程:

其中，T为温度，℃;a为导温系数，m2/h;θ为绝热温升，℃;τ为时间，h。温度场有限元计算方法见文献［1］。

1.2 应力场计算原理及方法

混凝土在复杂应力状态下的应变增量包括弹性应变增量、徐变应变增量、温度应变增量、干缩应变增量和自生体积应变增量，因此:

2 计算分析

2.1 计算模型

某倒虹吸地涵管身为两孔一联的钢筋混凝土箱形结构，每节长约15 m，单孔过水断面尺寸5.4 m×5.4 m，管身横断面如图1所示。计算模型如图2所示，基础及管身混凝土的热力学参数均由试验确定，计算中对施工过程、环境因素等均进行仿真模拟。

温度场计算时，对于计算域中地基底面及四周侧面取为绝热边界，混凝土表面均为第三类热交换边界。应力场计算时，地基底面及四周侧面取为法向约束，其他临空面为自由边界。

2.2 计算工况

工况1:春季开始施工，浇筑温度取环境温度+3℃。

工况2:在工况1基础上，考虑气温骤降影响。混凝土浇筑完毕2 d后遭遇为期5 d、一天内降温15℃，低温持续3 d，然后在一天内恢复到正常气温的“U”形寒潮。

图1 倒虹吸管横截面（单位：cm）

图2 计算模型

2.3 计算结果分析

1)气温骤降对温度场的影响。如图3所示，气温骤降时，墙体混凝土表面受寒潮影响较大，温度变化趋势与环境气温相类似，呈“U”形。与表面混凝土相比，墙体内部混凝土温降幅度相对较小，受气温影响而产生的温度变化也相对有所滞后，早期混凝土的内外温差进一步增大。如图3所示，工况1中，早期混凝土最大内外温差约为10℃，工况2中，气温骤降时，表面混凝土的温降幅度约16℃，其早期混凝土内外温差达到16℃。

图3 工况1和工况2中墙体混凝土表面点和中心点的温度历时曲线

2)气温骤降对应力场的影响。如图4所示，由于内外温差作用，混凝土产生了相应的变形约束。相对于内部混凝土来讲，外表面混凝土处于相对收缩变形的状态，而内部混凝土则处于相对体积膨胀的状态。因而在表面相对受张拉的区域出现拉应力，而在结构内部相对受挤压的区域就产生了压应力。如图3和图4所示，气温骤降期间，由于混凝土内外温差的进一步增大，其混凝土表面拉应力也相应急剧增长。工况2中，气温骤降时，表面混凝土拉应力由1.0 MPa迅速上升至2.5 MPa，此时对早龄期混凝土来说，混凝土即时允许应力仍较低，极易导致混凝土表面的开裂。