水工混凝土结构施工期冻融破坏仿真模拟.pdf

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1、第28卷第18期农业工程学报822012年9月TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineeringV

2、01．28No．18Sep．2012—匿圜固水工混凝土结构施工期冻融破坏仿真模拟郭利霞，罗国杰，钟凌，陈守开(华北水利水电学院，郑卅I450011)摘要：在水工混凝土长期施工过程中，冻胀是导致混凝土裂缝产生和发展的因素之一。本文在前人研究基础之上，通过分析混凝土冻融特性，提出了随龄期变化的力学特性模型，并利用三维有限元仿真计算程序，对混凝土施工期可能产生的冻融破坏过程进行数值模拟，计算结果与实际冻胀开裂规律

3、一致，故该研究可为工程施工过程设计提供理论依据。关键词：仿真模拟，混凝土建筑物，设计，冻融，doi：lO．39690．issn．1002—6819．2012．18．013中图分类号：TV52文献标志码：A文章编号：1002—6819(2012)一18—0082—06郭利霞，罗国杰，钟凌，等．水工混凝土结构施工期冻融破坏仿真模拟[J]．农业工程学报，2012，28(18)：82—87．GuoLixia，LuoGuojie，ZhongLing，eta1．Simulationstudyonfreeze-thawdamageofhydraulicconcreteincons

4、tructionperiod[J]．TransactionsoftheChineseSocietyofAgriculturalEngineering(TransactionsoftheCSAE)，2012，28(18)：82—87．(inChinesewithEnglishabstract)0引言1计算原理和方法水利工程由于承担挡水、蓄水和泄水的任务，水工建筑物需按照相应的技术规范，采取专门的施工方法和措施，故施工周期一般很长，长达数年或数十年，如南水北调中线工程北汝河倒虹吸土建和安装工程计划工期就长达36个月。水工混凝土结构在长时间的施工过程中，有水渗入或流进混凝

5、土孔隙，使其含水量达到饱和，在北方冬季可能造成结冰时膨胀、化冰时收缩，使混凝土疏松破坏，导致表层混凝士疏松剥落、深层冻胀破坏的现象十分普遍。关于北方地区混凝土裂缝机理及防裂研究，大多还停留在试验研究阶段【l。3】。部分学者只关注浇筑初期由于水化温升所造成的温度裂缝【4‘8】或者是建成运行稳定之后的开裂状况p。2

6、，而对受冻施工期造成的开裂研究很少。基于此，本文结合南水北调中线工程倒虹吸工程实践实例，采用有限元数值计算方法，结合室内外试验，分析混凝土施工期在外界条件下可能导致冻融破坏混凝土的温度场和应力场，从力学的角度研究混凝土破坏产生的原因，寻求开裂机理，为工程设计

7、提供理论依据。收稿日期：2012-03．18修订日期：2012．07．21基金项目：国家自然科学基金资助项目(50539010，51109081)作者简介：郭利霞(1982一)。女，汉族，博士，讲师，从事于混凝土结构防裂研究。郑州华北水利水电学院，45001l。Emaih8uoLx@126．com1．1热传导方程在计算域R内任何一点处，不稳定温度场T(x，Y，z，，)满足热传导连续方程iOT：口f等+窑+窑1+娑(v(Ⅵ，z)呐(1)百钏I万+萨+可j+瓦m，炉)酬)u’式中，r为混凝土温度，℃；口为导温系数，m2／ll；p为绝热温升，℃；r为龄期，d；t为计算时间

8、，d。z，1，，z为计算域内点坐标。边界条件一20T(x．,y,z,t)．：fl(T(x,y,z,t)一￡)(2)式中，∥为放热系数，kJ／(m2．h·℃)；A为导热系数kJ／(rn—h℃)；死为环境温度，℃。1．2应力计算方程混凝土在复杂应力状态下的应变增量{A6}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，因此有{△巳)={△《)+{△《)+{△《)+{△《}+{《}(3)式中，{△《)为弹性应变增量，{△《)为徐变应变增量，{△《)为温度应变增量，{△《)为干缩应变增量，{△占：)为自生体积应变增量。其中温度应变增量{△《)

9、={七△乃，七△乙，kAr．，0，0，0}(4)式中，k为线膨胀系数，当前后2时段温度小于0*C时，混凝土发生冻胀，看成“热胀冷缩”的特例，第l8期郭利霞等：水工混凝土结构施工期冻融破坏仿真模拟83取线膨胀系数为负。△￡为相应时段温度增量。其他增量的计算参考文献[5]。1．3混凝土冻融损伤机理及力学模型分析在水工混凝土拌合浇筑之后，水泥产生水化作用，水化速度除与混凝土本身组成材料和配合比有关外，主要是随着其温度的高低而变化的。当温度降低到0℃时，存在于混凝土中的水有一部分开始结冰，逐渐由液相(水)变为固相(水)。这时参与水泥水化作用的水减少了，因此，水化作用减慢