1、摘要大体积混凝土已在建筑工程领域应用越来越广泛，无论是高层建筑基础还是大型工业设备基础，多有厚大的混凝土底板。对于这类大体积混凝土结构，如何控制由于施工养护期中水泥水化热引起的温度裂缝，是大体积混凝土结构施工的一个重大课题。论文基于国际通用大型有限元软件ANSYS二次开发平台上，对大体积混凝土基础施工期温度场进行了仿真分析研究，并二次开发集成出专用仿真系统，使运用有限元理论分析该类工程问题变得直观、方便快捷。论文的主要工作内容及成果有: 1.通过研究温度场分析的有限元法以及ANSYs热分析相关理论，在ANSYs的生热速率和水泥水化热之间找到结合点，通过生热速率的计算及施加，成功运用ANSYS软
2、件进行混凝土水化热三维瞬态温度场的模拟。在仿真分析中考虑了环境大气温度的变化、空气对流、地基土壤的热传导以及基础上表面保温材料和侧面保温层的模拟。相对于目前主要用于手算的温度场工程简化经验公式算法而言，这是一种更为精确与高效的做法。2.深入研究ANSYS二次开发技术(APDL、UIDL和UPFS)，用APDL编程语言对大体积混凝土基础温度场分析编制了ANSYS的计算主程序模块，还编制出本系统专用的结果后处理显示功能模块。基于这些功能模块进一步用UIDL编程语言开发出专用菜单模块，从而完成大体积混凝土基础施工期温度场仿真系统的开发集成。与现有的仅利用ANSYS对特定工程进行分析研究的作法相比，本
3、论文把对有限元软件的应用上升到了软件的二次开发层次上，使得该仿真系统更便于工程应用，极大地提高了分析效率. 3.运用该专用分析系统进行了某工程实例的计算分析，验证了该专用分析系统的运行稳定性以及计算结果的可靠性。并对大体积混凝土基础的各施工参数的敏感性作出定量的分析比较，为采取相应的施工温控措施提供必要的参考。关键词:大体积混凝土:基础:温度场;ANSYS;二次开发ABSTRACTMassconcre让hasbeenuedinbuildi呢fieldmoreandmo邝.Foundatlonoftallbuildingorfoundationoflargescale1ndustrialequi
4、PmentareusuallythickandhugebottOmnoorofconcrete.Forallthese们nasconcreteslnjcture，howtocontr01thethennalcrackcausedbyheatofcemenihydrationduringconstrUctionandconserVa60nwillbethe51加ficantProbleminmassconcretestructureconstructionBaSedontheP1atformof1nternationalgeneralFEAsoftwareANSYS，thePaperca币eso
5、utsimula宜edanalysisintemperaturefieIdofInassconcre1efoundati0氏叭dschemesoutthesPecialana1ysissystem.Itmakesthefiniteelemenianalysisof面skindofengineenllgProblemvisua1andcOnvenient.Themainconteniandresultsofthepaperinc1udethefon0wing: 1.CombinationisfoUndbe七刀eenheatgenerationrateandheatofcementhydratio
6、氏t址。ughresearchofFEAmethodoftemPeraturefie记andANSYStheoryofthen刀alana】ysis.BycaiculatingandaPPlyi昭heatgenerationrate，shaulationofthree一dimensionalt.盯sienttemperatUrefieldissuccessfullyfulfilledwithANSYS.Envlronnlenttemperature，airconvecti。几heatconductionofsoil，山ermalinsulation卫ayeroftoPandsidesu伽ear
7、elnvolvedin比eanalysis.ComParedwithcurrentexperientialmethod，thismeansismoreaccurateandeffective.2.ByfullystiIdy1ngsec0ndarydeveloPingteChniqueofANSYS(APDL，UIDLandUPFS)，mainProcedurearecomP1ledfortemPerattlrefieldofmassconcretefoundationwithAPDLlang几Iage，andpos1ProcessingProeedurearealsocomPiledforth
8、isana1ysissystem.Basedontheseproceduremodule，thespecialmenumodulearefurtherdesignedwithUIDL1anguage.Consequently，analysissys抚moftemperaturefieldofluassconcretefoundationduringconslructionaredesignedandiniegrated.AIPresent，mostP“岭ticeofANSYSisoulyto助alyzespecificProjeCt.ComPared初ththisPractice，thePap
9、erady面sP皿ticetothelevelofFEAsoftwaresccondarydevelopmeni.Itmadesthissimulatedsystemrnoreconvenlentande任ectlveforPracticalaPPlication.3.Sintulated朋alysisisperformedonaPractic缸projeCtusingthes伴claislmulated朋alysissystem.theresultofsimu1ationisProvedtobesteadyand比liable.thePaperalsogivesqUantitativeana
10、1ysisandcomParlsonofsensitivityofe即hconstruction丘ICtorinprocedure.Itprovi山necessaryrefe茂ncefortakingco讹spondingmeas眠。ftemperaturecontrolinconstruction.Keywords:们。assconcrete;foundation;field;ANSYS;secondarydeveloPment华南理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或
11、集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名:德乡峰日期:甲年月了日学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即:研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南理工大学。学校有权保存并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅(除在保密期内的保密论文外);学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存、汇编学位论文。本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 本学位论文属于:口保密，在年解密后适用本授
12、权书。 口不保密。学位论文全文电子版提交后: 口同意在校园网上发布，供校内师生和与学校有共享协议的单位浏览。 (请在以上相应方框内打“了”)作者签名:考译指导教师签名:日期:小刁.尹日期:溉。2.沙.、认、气、，1，第一章绪论第一章绪论1.1问题的提出随着我国国民经济持续高速发展，自九十年代以来，工业与民用建筑得到了迅猛发展。在工业建筑中，我国独立工业体系的建设需要大量的现代化大、中型工业厂房;在民用建筑中，各大中城市高层、超高层建筑如雨后春笋，蓬勃发展。 这些大型厂房和高层建筑大都需具备厚度较大的基础底板，如配有大吨位设备的厂房内需建造大型设备基础，以及高层建筑需建造箱形基础、筏板形基础和桩
13、基厚大承台等等，这些基础都是体积较大的混凝土工程。这类大体积混凝土结构，其截面尺寸在满足工艺和构造要求条件下，在使用期由外荷载引起裂缝的可能性较小，且具有较大的安全度。而在施工养护阶段，由于水泥水化过程中释放的水化热引起的温度变化和混凝土收缩，因而产生的温度应力和收缩应力将是产生大体积混凝土结构裂缝的主要因素。这些裂缝的存在和发展会带来钢筋锈蚀、削弱结构的承载力等危害，因此，在施工养护期中控制温差和温度变形裂缝的开展，是大体积混凝土结构施工技术的一个重大课题lj。大体积混凝土的温度裂缝与温度控制的研究在水利工程的混凝土坝体上开展较多，但在工业与民用建筑领域方面，除了由荷载引起的构件裂缝方面研究
14、较多外，由于混凝土温度变化，特别是在混凝土弹性模量每天都在变化的施工期中由于温度变化引起的大体积混凝土裂缝的研究较少。在工程实践上对混凝土温度裂缝的控制还处于在构造上进行概念性设防的阶段上。 建筑工程领域与水利工程领域中的大体积混凝土工程存在着各自不同的特点，本论文针对建筑工程领域中的大体积混凝土基础在施工养护阶段中的瞬态温度场进行尝试性探讨，为大体积混凝土控温施工技术提供积极有益的研究。1.2大体积混凝土定义与特点对大体积混凝土(Illassconcrete)概念的界定，日本建筑学会标准(JASSS)定义为:“结构断面最小尺寸在80cm以上，水化热引起混凝土内最高温度与外界气温之差，预计超过
15、25的混凝土，称为大体积混凝土”。在我国最近的行业规范普通混凝土配合比设计规程(JGJ55一2000)里定义为:“混凝土结构物实体最小尺寸等于或大于1断或预计会因水泥水化热引起混凝土内外温差过大而导致裂缝的混凝土”。而美国混凝土华南理工大学硕士学位论文协会(Aclll6R一00)的定义为:“任意体量的混凝土，当其尺寸大到必须采取预防措施控制由于水泥水化热和体积变化以最大限度地减少裂缝时，均可称为大体积混凝土，o该定义未给予定量的概念，而是定性的概念，需要工程师们自行判断取舍tZI。实际上，单纯根据混凝土最小厚度尺寸(0.8一1.Om)和温差(25)来界定是否为大体积混凝土是不够严谨的。由以上各
16、国给出的定义可得出大体积混凝土的一个共同点，那就是水泥水化热的影响是必须考虑的因素。大体积混凝土工程的本质是由于混凝土内部产生的水化热量不如表面的热量散失得快，造成内部与外部温差较大，又由于存在外部边界和混凝土内部的约束，极易在混凝土与外部交界处产生温度裂缝，必须在施工阶段采取相应的预防措施。只要具备这些条件，都可归于大体积混凝土的范畴。建筑工程中，高层建筑或大型设备的基础工程中的大体积混凝土，其几何尺寸远比水利工程中的坝体小，而且还具有以下特点:(1)由于几何尺寸不是十分巨大，水化热温升较快，一般35天即可达到最高温升。降温散热也较快。 (2)混凝土强度级别较高，水泥用量较大。(3)浇筑方法
17、不象坝体那样分层分缝浇注，而通常要求一次连续浇注，整体性高。(4)控制裂缝的方法通常无需象坝体那样采用特制的低热水泥和复杂的水管冷却系统，而主要依靠混凝土中水泥种类、混凝土配合比、外加剂、外掺料的选择以及合理配筋和加强施工养护防范措施以避免因内外温差过大而出现裂缝。1.3国内外研究近况在建筑工程领域上，我国对大体积混凝土温度场的计算大多采用经验公式计算混凝土中心最高温度值Tmax与表面温度几，其中求取Tmax时所用到的不同浇筑厚度与温降的关系毛值也采用经验图表。由Tlnax与T、可计算出混凝土水化热的平均温度，据此求出各龄期混凝土平均温差，进而计算温度应力13.41。在以前计算机技术不普及的情
18、况下，这种方法主要优点是便于工程的应用，但由于在温度场计算中未能考虑混凝土内部温度场的连续性、外界气温、空气对流以及地基土壤热传导等的精确影响，所以很难准确地反映实际施工过程中的温度场变化情况，而温度应力的计算又要求有准确的温差计算数据来支持，所以该法也存在局限性。实际上，大体积混凝土的温度场在混凝土中是高度不均匀的，而且是一个瞬态的变化过程，工程领域上，复杂的二维乃至三维结构问题无疑需借助有限单元法这一技术来第一章绪论解决，同样，大体积混凝土瞬态三维温度场计算的精确方法无疑是有限元法，所以，随着计算机仿真技术的广泛应用，国内外不少研究者尝试用有限元法来进行温度场及应力场的仿真分析研究。 在国
19、外，美国加州大学的威尔逊(叭lson)教授于1968年为美国陆军工程师团研制出可模拟大体积混凝土分期施工温度场的二维有限元程序叨T一DlcE，并用于德沃夏克(加orks比k)坝温度场计算15。1952年工程师Tatre和schrader对田T一DlcE程序作了修改，并应用于世界第一座碾压混凝土坝柳溪坝的温度应力研究工作中，采用比较简单的一维模型，将结构计算与施工过程结合起来，用逐步递推的方法，求出了不同时期坝体的温度场与应力场。温度场的计算结果与实测结果吻合得较好，而应力场计算结果与实测结果还有一定差距161。在国内，三维温度场及应力场有限元法的系统研究最早是在水利工程中由潘家铮院士和朱伯芳院
20、士开始的。朱伯芳与宋敬廷合作早在1973年就编制了国内第一个不稳定温度场、混凝土温度徐变应力的有限元程序门，并利用该程序对三门峡重力坝底孔的温度应力进行了分析，计算中完全模拟了大坝实际施工过程，这是国内第一次大体积混凝土坝仿真分析，为当时国内的重大水利工程提供了一批计算成果。朱伯芳1999年发表的专著大体积混凝土温度应力与温度控制是目前研究温度控制与温度应力有限元法不可缺少的参考文献之一，该文献提出了关于热传导原理，二维温度场差分解法，计算温度场，应力场的有限元法，基础梁的弹性徐变温度应力，圆形隧道运行期的温度应力，重力坝的三维仿真应力分析等一整套水工大体积混凝土温度应力与温度控制的理论。针对
21、计算机硬件水平不足、计算效率无法提高这一困难，朱伯芳还提出了“并层算法18)”、“不稳定温度场分区步长解法191”。大连理工大学的张宇鑫博士于2o02年在其博士论文中对大体积混凝土的三维温度场热学参数反分析作了研究1101。天津大学赵代深教授、李广远教授结合国家攻关项目出色完成多个混凝土坝的施工过程和结构状态的仿真分析1111。我国在大体积混凝土坝温度场及应力场数值分析上一直被认为是处于世界前列的。1.4大体积混凝土仿真分析的研究趋势有限元结构分析技术在我国的发展，大体上经历了如下三个阶段:(1)20世纪70年代编制、应用专用的有限元程序阶段; (2)80、00年代开发大型有限元分析程序以及引
22、进国外通用大型有限元软件阶段:(3)2000年后大型结构分析软件微机化，特别是国外大型通用有限元软件在工程华南理工大学硕士学位论文上得到了广泛应用推广阶段。早期的大体积混凝土温度场与温度应力的有限元法仿真分析通常是走自行开发有限元程序的路，其有限元理论和计算方法较复杂，一般都是要编制复杂的计算程序才能应用于工程中，而且最关键的是，如同仿真分析的有限元计算方法一样，有限元法仿真分析的输入输出数据的处理也是异常复杂的，要获得有代表意义的计算结果，必须配备强大的前后处理器，用直观的图形输出代替结果数据输出.目前，国内也自行编制开发了一些大体积混凝土三维仿真系统，其中有代表性的是河海大学在1990年至
23、1992年间结合小浪底工程开发的仿真程序系统(TcsAP)l121，但这些系统因未能实现智能化的前后处理(如自动剖分、温度云图的绘制等)，导致大型结构的有限元网格输入和计算结果观察相当不方便，离可视化的要求尚有很远的距离。 数值模拟技术(即CAE技术，ComPute卜aidedEngineering)是现代工程仿真学发展的重要推动力，借助于有限元软件可获得满足工程要求的数值近似解。随着国外一些大型通用有限元软件在国内的日益推广应用，在利用这些有限元软件通用的有限元求解器的同时，再借助其强大的前后处器，能使大体积混凝土三维仿真分析的输出效果达到商业化水准。国外优秀的通用有限元软件有ALGOR、S
24、AP、ANSYS等等，其中ANSYS在前后处理上功能强大，在世界范围内已成为土木建筑行业仿真分析软件的主流。所以从2002年以来，在水利工程中就出现了关于借助于ANSYS软件进行大体积混凝土温度场及应力场仿真分析方面的研究。2002年大连理工大学的秦杰113博士、张宇鑫1101博士借助有限元软件ANSYS对仿真计算结果进行了前后处理。2002年武汉理工大学的顾达伯教授与他的学生1141、2004年武汉大学的周宜红教授与他的学生115】分别应用ANsYS对混凝土拱坝和碾压混凝土重力坝的温度应力进行了仿真分析。此外，在建筑工程领域上，2003年蒋沧如教授和他的学生tl6】利用ANsys软件对高层建
25、筑基础的温度场进行了模拟分析。这就改变了以前依靠自行编制有限元程序进行研究的单一局面，为大体积混凝土温度场和应力场的研究提供了一条新的解决捷径。应该说在工民建中运用ANSYS有限元软件研究混凝土基础的三维瞬态温度场的文献还不多，并且这些己有的文献大多停留在直接应用ANSYS软件进行某一特定工程分析研究的层面上，并没有上升到充分利用ANSYS二次开发技术以开发集成一个带中文界面的、适用于各种实际工程的专用温度场分析系统的层次上。可以预见，在建筑工程领域上，今后利用ANSYS二次开发技术进行大体积混凝土基础温度场以及应力场仿真系统的集成一定具有很大发展潜力。第一章绪论1.5本论文的研究思路与内容为
26、了真实反映混凝土浇筑后的实际发展状态，大体积混凝土温度场的有限元分析需涉及材料特性，环境条件以及施工条件等多方面因素，数据输入量庞大，需具有良好的三维可视化网格建模:同样，有限元的分析结果输出要具有良好的可视化处理，这样才便于工程实际应用。从编制有限元法核心计算程序，再到编制具有良好可视化的前后处理模块程序，如果单靠几个工程技术人员，则由于问题的复杂性，不仅要耗费极大的人力、物力和时间，而且很难保证会得到令人满意的效果。充分利用现有的国外大型有限元软件的计算能力强，可视化开发效率高的特点，开发出自有的专业系统就很有意义。 ANsYS软件在温度一结构祸合场分析功能强大，这一大型通用有限元软件对于
27、大体积混凝土三维温度场以及应力场仿真学科的兴起会有很大推动作用。所以本论文主要探讨ANSYS这一强大的CAE仿真工具和大体积混凝土建筑基础施工期温度场分析的结合应用，并进一步利用ANSYS的友好、开放的二次开发技术开发出具有友好中文界面的大体积混凝土基础三维温度场仿真分析专用系统。本论文的主要内容有: 1，通过查阅大量文献了解大体积混凝土裂缝形成特点、成因以及大体积混凝土温度场与应力场的计算方法和研究现状，并对研究趋势作了分析，寻求一条新的问题解决捷径。 2.介绍ANSYs软件的温度一结构祸合场分析功能，深入研究适合用于大体积混凝土温度场分析的有限元法以及ANSYS热分析理论方法。重点研究水泥
28、水化热在ANSYS中的模拟方法。用APDL(参数化语言)对大体积混凝土温度场计算编制主程序，上机调试，通过结果数据分析确定适合的ANSYs求解方法。 3.深入研究ANSYs二次开发技术(APDL、UIDL和UPFS)，把计算主程序拆编成各功能宏块，主要有参数输入以及建模功能宏块、求解功能宏块、结果处理(显示)功能宏块。基于这些功能宏块进一步用UIDL(用户界面设计语言)开发出专用菜单模块，从而完成专用的大体积混凝土温度场仿真分析系统。开发出的大体积混凝土温度场仿真分析系统具备在中文菜单对话框中输入基础尺寸、混凝土材料各参数(包括水泥用量，浇筑温度等热学参数)、棍凝土保温材料热学参数、温控时间(
29、以天为单位)等功能;输出项目有:大体积混凝土特定点的温度一时间曲线以及相应的切片云图。4.运用开发出的专用仿真系统计算某实际工程中的大型混凝土基础温度场，并对系统的计算结果可信度进行评价分析。华南理工大学硕士学位论文5.以同一工程算例为基准，通过改变各施工参数，运用本仿真系统进行仿真计算和结果分析比较，研究各参数对建筑工程中的大体积混凝土基础施工期温度裂缝控制的敏感性，为今后这类工程的温控措施提供有益的参考。1.6本课题的研究意义计算机技术正以超乎寻常的速度，给工程、科学以至人类社会带来急剧的革命性变化。以虚拟样机模拟为代表的计算机辅助工程(cAE)是这一技术革命在工程分析、设计中的具体表现。
30、CAE可以极有效地缩短新技术、新产品的研发周期，所以CAE在工程开发、项目研制及设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工程业在日趋激烈的竞争中取胜的一个重要条件。大体积混凝土基础温度场的CAE仿真分析的趋势是建立一套能在个人微机上实现三维线性和非线性有限元全过程的仿真计算方法和程序，综合考虑浇筑温度、外界气温变化、地基土壤热传导以及混凝土水化热等实际情况，计算中能真实模拟施工实际情况，并建立一套良好的人机交互界面，使工程技术人员在施工过程中能根据各种因素的变化，通过良好的微机界面，随时掌握大体积混凝土基础温度场的变化，以便采取有效的温控和防裂措施，同时建立一套与界面配套的图形处理系统
31、，从庞大的结果数据中，将成果以图形输出，达到简便实用快捷的效果。以上这些要求决定了自行开发专用大体积混凝土有限元CAE仿真分析软件的困难与复杂性。 ANSYS软件是顺应潮流而发展起来的CAE仿真设计工具，由于ANSYS具有开放的二次开发平台，所以与其花大量人力、物力来从头开发专用的大体积混凝土有限元CAE仿真分析软件，不如利用通用有限元软件的成熟、稳定、功能强大的多物理场量计算内核，以及其强大的前后处理器开发出自己的大型有限元分析软件，正所谓:“他山之石，可以攻玉”。近期ANSYs公司推出的ANSYs/Civi1FEM土木工程专用软件包，就是西班牙土木工程人员利用ANSYS强大的二次开发功能，
32、基于西班牙自身的规范EH、欧规2和Acl规范而开发出土木工程专用软件包，所以，在ANSYS的专用功能模块扩充上，他们的经验是值得我们借鉴学习的。 ANSYS软件在大体积混凝土施工期温度场以及应力场仿真分析中的应用可以替代一些费用昂贵的试验，同时节省大量的人力和时间，其优势是显而易见的。通过实践证明，ANsYS强大的功能将在大体积混凝土施工仿真分析过程中起到不可低估的作用。如何利用这类大型有限元软件的二次开发技术，开发集成出适合本专业的专用模块，充分应用第一章绪论于实际，而又从实际工程中来不断完善和提高该专用分析模块的质量和效率，使其高效经济地投入到国家建设中去，我们工程技术人员任重而道远。所以
33、，本论文的研究对基于ANSYs二次开发技术的大体积混凝土基础施工期温度场仿真系统的开发集成提供了有益的参考价值，具有很强的现实意义。华南理工大学硕士学位论文第二章大体积混凝土的温度裂缝及温度场分析基本原理大体积混凝土在施工养护期中有着与其他一般结构所不同的独特性质，水泥水化热引起的结构温差，如不合理控温就会极易产生温度裂缝。本章着重阐述大体积混凝土在施工养护期中的温度裂缝产生机理以及温度场分析的基本原理。2.1施工期大体积混凝土温度裂缝产生机理2.1.1结构裂缝的起因及形式结构物裂缝的起因，大致可作以下分类141: 1.由外荷载(静、动荷载)的直接应力(即按常规计算的主要应力)引起的裂缝;2.
34、由外荷载作用，结构次应力引起的裂缝。例如屋架按铰接节点计算，但实际混凝土屋架节点却有显著的附加弯矩(次应力)，次应力时常引起节点裂缝:3.由变形变化引起的裂缝，即主要由温度、收缩、不均匀沉降或膨胀等变形变化而引起的裂缝。当结构的变形得不到满足时引起应力，这种应力超过一定数值就产生裂缝。 从以上的划分可知，其实裂缝分为两大类:荷载引起的裂缝及变形变化引起的裂缝。许多工程裂缝的起因往往是综合性的。重要的是必须区分和判断裂缝是由外荷载引起的，还是由于结构变形变化引起的。外荷载引起的裂缝虽然较小，但钢筋应力可能很高。如某些受弯构件，当裂缝宽度约为0.2llull时，钢筋应力己达180-250MPa;而
35、由变形变化引起的裂缝虽然较宽，但钢筋应力却很低。 大体积混凝土内出现的裂缝，按其深度不同，一般可分为贯穿裂缝，深层裂缝及表面裂缝三种。贯穿裂缝切断了结构断面，可能破坏结构的整体性和稳定性，其危害是较严重的;深层裂缝部分切断了结构断面，也有一定危害性;表面裂缝一般危害较小。但处于基础或老混凝土约束范围以内的表面裂缝，在混凝土内部降温过程中，可能发展为贯穿裂缝。带有不同程度初始裂缝的钢筋混凝土结构物，其承载能力是否受影响，这主要依据结构的配筋受力情况，以及所处的环境侵蚀条件来判断。一般来说，由于温度收缩应力引起的初始裂缝，不影响结构物的承载力，而仅对耐久性有所影响，对于地下或半地下结构来说，裂缝还
36、影响其防水性能。第二章大体积混凝土的温度裂缝及温度场分析基本理论2.1.2大体积混凝土温度裂缝产生机理混凝土随着温度的变化而发生膨胀和收缩，称为温度变形，大体积混凝土施工阶段的裂缝主要是由于温度变形而引起的，即混凝土由于内外温差而产生温度变形，而结构的外约束和混凝土各质点间的约束(内约束)阻止这种变形，混凝土不能自由变形就会产生温度应力，当这种温度应力超过混凝土抗拉强度时就引起裂缝1171。总结过去大体积棍凝土裂缝产生的情况，可以知道产生温度裂缝的主要原因如下:1.水泥水化热与约束 大体积混凝土浇筑时间短而集中，混凝土浇筑后，水泥与水发生化学反应产生大量的热量，由于混凝土截面厚度大，水化热聚集
37、在结构内部不易散发，导致混凝土内部温度不断升高，而混凝土表面散热较快，表面温度低，从而形成了较大的内外温差。起初混凝土处于塑性状态，弹性模量低，变形变化所产生的应力较小，对混凝土不会引起裂缝破坏。此后由于水化作用减缓，放出的热量少于散失的热量，或受寒潮袭击，气温骤降，如果无适当的保温措施，则混凝土表面散热快，造成温度陡降，混凝土内外温差增大，中部混凝土温度高，发生体积膨胀，外部温度低产生体积收缩，约束了内部膨胀，并且混凝土的弹性模量和强度随着龄期相应提高，对混凝土变形的约束越来越强，因而在混凝土内部产生压应力，在混凝土表面产生拉应力，当混凝土的抗拉强度不足以抵抗该拉应力时，便产生表面温度裂缝，
38、这种因表面与内部温差引起的裂缝，又称为内约束裂缝。这种裂缝一般产生较早，多呈不规则状态，深度较浅，属表面性质。 混凝土除了在降温阶段逐渐产生体积收缩外，混凝土在硬化过程中内部伴随着水泥水化和水分蒸发以及胶质的胶凝等作用，也产生体积的收缩变形，当结构受到地基、老混凝土垫层的约束或结构边界受到外部约束，将会产生很大的温度收缩应力(拉应力)，特别是岩石地基外约束应力较大，基础越长，拉应力越大。当这种收缩拉应力超过混凝土抗拉强度时，则在混凝土的底面交界处附近以至混凝土中产生收缩裂缝，这种裂缝又称为外约束裂缝。这种裂缝特征是由交界面向上延伸，基本上与岩石或垫层成正交，靠近基底最大，而上部较小，严重的会产
39、生贯穿整个基础的裂缝(称贯穿裂缝)111。2.外界气温变化 大体积混凝土结构施工期间，外界气温的变化对大体积混凝土开裂有重大影响.混凝土的内部温度是浇筑温度、水化热的绝热温升和结构散热降温等各种温度的叠加之和。外界气温越高，混凝土的浇筑温度越高;如外界气温下降，会增加混凝土的降温幅华南理工大学硕士学位论文度，特别在外界气温骤降时，会增加外层混凝土与内部混凝土的温度梯度，这对大体积混凝土极为不利。此外，气温的周期性变化，会使大体积混凝土的裂缝不断产生和扩展。总言之，大体积混凝土的裂缝与温差大小、混凝土的收缩性、温度变化程度、约束程度、温度梯度高低、几何尺寸等有关。大体积混凝土在浇筑前可通过对温度
40、场进行估算，然后有针对性地采取施工措施，从而有效防止温度裂缝的开展。所以，大体积混凝土三维瞬态温度场仿真分析的研究有着重要意义。2.2施工期混凝土不稳定温度场分析基本原理2.2.1混凝土热学性能混凝土的热学性能包括导温系数a、导热系数人、比热c、密度p和热膨胀系数。根据导温系数的定义，有:兄a=户(2一1)导温系数a是反映混凝土热量扩散的一项综合指标，导温系数大，热量的扩散愈快:导热系数x则反映混凝土传导热量的难易程度;比热c表示单位重量的混凝土温度升高1时所需的热量;混凝土的密度随骨料的比重、级配、石子最大粒径、含气量、配合比以及干湿程度等因素而变化;这四个混凝土热学性能应由实验测定，只需测
41、定其中三个，另一个可由式(2一1)计算。混凝土的热膨胀系数u是直接影响温度应力数值的，因此对于混凝土温度应力而言，它是一个重要参数。混凝土是由水泥浆和骨料两种材料所组成，因此混凝土的热膨胀系数取决于两种材料的含量和它们各自的热膨胀系数。在相同温度和约束条件下，Q值越小则温度应力就越小。混凝土各热学性能指标可查文献闭与【181。2.2.2水泥水化热与混凝土绝热温升水泥水化过程中放出的热量称为水泥水化热。对于施工养护期中的大体积混凝土工程，水泥水化热是必须考虑的一个重要因素，水泥水化热是依赖于龄期的。水泥水化热的计算表达式有三种:指数式、双曲线式和复合指数式门。这里只介绍本论文用到的指数式:Q(t
42、)=乌(1一e一耐)(2一2)式中C。)在龄期t时的积累水化热，kJ/kg;第二章大体积混凝土的温度裂缝及温度场分析基本理论乌tco时的最终水化热，kJ/kg，可查文献7与l8;t从混凝土浇筑到计算时的天数，d; 兮常数，随水泥品种、比表面及浇注温度不同而不同，可查文献17与【181。混凝土绝热温升是指假定在混凝土周围没有任何散热条件、没有任何热损的情况下，水泥水化热全部转化为使混凝土温升后的温度值。混凝土绝热温升可用指数式表示如下:6(t)=兀(1一e一耐)(2一3)式中夕(t)在龄期t时的混凝土绝热温升，:t从混凝土浇筑到计算时的天数，d: .常数，随水泥品种、比表面及浇筑温度不同而不同，
43、可查文献7与l81;兀混凝土的最终绝热温升，指全部的水泥水化热完全转化为使混凝土温升后的最高温度值。可由下式计算:，四立h=(2一4) cP式中平每立方米混凝土中的水泥用量，kg/ms;Q每公斤水泥的水化热量，kJ/kg，可查文献17与【18;c混凝土的比热，kJ/kg，可查文献7与【18; p混凝土的密度，kg耐。2.2.3环境气温环境气温的变化是引起大体积混凝土裂缝的重要原因，是计算混凝土温度场的重要依据。气温的变化对混凝土的温度产生较大的影响。此外，在混凝土水化作用期间，混凝土周围环境气温还影响水泥水化作用速度和混凝土性能。气温有三个重要变化:年变化、寒潮和日变化。年变化是以一年为周期，
44、月平均气温的周期变化。日变化是以一天为周期的气温变化，主要由太阳辐射热的变化引起。寒潮是指日平均气温在数日(26天)之内急剧下降，降幅超过5。在建筑工程中一般只考虑年变化的影响，而寒潮只在特殊情况下考虑，所以下面只介绍本论文用到的年变化公式。 气温总是在不断变化的，年变化具有周期性变化特征，多数情况下可近似地用余弦华南理工大学硕士学位论文函数来表示刀:=:一、cos蠢(r+:)(2一5)式中To气温;兀年平均气温，为12个月平均气温的平均值，可查文献7;儿气温年变幅，可查文献7;r从混凝土浇筑日起算的时间，单位为天;几外界年气温最低点至混凝土浇筑日的lsJ隔大数，我国通常在1月中旬气温最低。2
45、.2.4热传导方程在均匀、各向同性的混凝土固体中，在时间dr内，六面体么办山由热量的平衡，即温度升高所吸收的热量必须等于从外界流入的净热量与内部水化热之和，可推导得到17.c，婴*、=、奕十奖十奕)十。哎八咖众J:VT工叨尹忍(2一6)化简后得到混凝土内部非稳定温度场T(x，y，2，约满足的热传导方程为:日T元日ZTaZT刁ZT=-，一二.十-气二十-二刁rcP戈欲即击+里CP(2一7)式中人导热系数:Q单位时间内单位体积混凝土由于水泥水化热发出的热量;c比热:时间;密度。热传导方程建立了物体的温度与时间、空间的关系，但满足热传导方程的解有无限多，为了确定需要的温度场，还必须知道初始条件和边界
46、条件。初始条件为在初始瞬时物体内部的温度分布规律，边界条件为混凝土表面与周围介质(如空气或水)之间温度相互作用的规律，初始条件和边界条件合称为边值条件(或定解条件)。在初始瞬时，温度场是坐标(x，y，2)的已知函数TO(x，y，2)，即当下:0时:第二章大体积混凝土的温度裂缝及温度场分析基本理论T(x，y，2，0)=To(x，y，2)(2一8)在相当多的情况下，初始瞬时的温度分布可以认为是常数，即当T(x，y，2，0)=T0=常数(2一9)边界条件可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:T(r)=f(丁)(2一10)T二0时:2，第二类边界条件混凝土表面的
47、热流量是时间的已知函数，即:.aT一滩=八r，刁刀(2一11)式中人导热系数;n表面外法线方向。若表面是绝热的，则有:(2一12)3.第三类边界条件 当混凝土与空气接触时，经过混凝土表面的热流量是:(2一13)第三类边界条件假定经过混凝土表面的热流量与混凝土表面温度T和气温兀之差成正比，即: 一aT一_、一兄二=刀(T一皿) an式中日表面放热系数。当表面放热系数p趋于无限时，(2一14)T=Ta，即转化为第一类边界条件。当表面放热系._二aT_一二，、，任二，.数p=0时，二二=0，又转化为绝热条件。 伽4.第四类边界条件 当两种不同的固体接触时，如果接触良好，则在接触面上温度和热流量都是连
48、续的，边界条件如下:一:，、臀=、会(2一15)如果两固体之间接触不良，则温度是不连续的，T:笋T:，这时需引入接触热阻的概念。假设接触缝隙中的热容量可以忽略，那么接触面上热流量应保持平衡，因此边界条华南理工大学硕士学位论文件如下:(2一16)动 伍鱿-山1一尺凡粼一伽辉一加 入入式中凡因接触不良而产生的热阻，由实验确定。2.2.5混凝土的温度组成及其工程简化算法l8混凝土的温度，取决于它本身所贮备的热能。在绝热条件下，混凝土内部的最高温度是浇筑温度与水泥水化热温度的总和。但在实际情况下，由于混凝土的温度与外界环境有温差存在，而结构物四周又不可能做到完全绝热，故在新浇筑的混凝土与周围环境之间，
49、就会发生热能的交换。结构物的模板、外界气温(包括温度、湿度和风速)和养护条件等因素，都会不断改变混凝土贮备的内能，并促使混凝土的温度逐渐发生变动.因此，混凝土内部的最高温度实际上是由浇筑温度、水泥水化热引起的绝热温升和混凝土浇筑后的散热温度三部分所组成。另外，混凝土从浇筑成型后，经历着由初始温度发展为最高温度，最后达到稳定温度这样一个变化过程。由于结构物散热的边界条件较为复杂，要严格解出理论解非常困难和冗繁，在工程应用上大多采用经验简化公式来求温度场的近似解118L1.内部最高温度兀公经验公式在绝热状态下，不同龄期的混凝土内部最高温度界(t)可用下式表达:不(t)一兀、塑(l一。一) 尸(2一17)式中兀一混凝土浇筑温度但混凝土内部的实际温度并不符合式(2一17)的假定条件，因为混凝土在浇筑后，温度一面在上升，另一面也在不断散发，并非“绝热状态”。近年来，根据以往施工的一系列大体积混凝土结构的现
