大体积混凝土表面保温计算方法研究

论文摘要

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。在冬季低温季节,或在早春晚秋气温骤变、寒潮频繁的季节,如果混凝土表面没有采取任何保温措施,则由于昼夜温差和寒潮引起的温度应力易导致混凝土表面开裂。因此,在工程设计和施工前对保温层保温效果进行数值模拟是工程建设中迫切需要解决的关键技术之一。本文对大体积混凝土表面保温计算方法进行了研究:从热量平衡原理出发,推导了直接以导热系数、表面散热系数和热量为热传导方程基本参数的温度场有限元方程(简称导热系数法),据此修改了以导温系数为基本参数的温度场有限元计算程序RCTS,使之能够更合理地反映由多种热学性能差异较大的材料组成的复合结构的温度场;根据等效表面散热系数法修改了原程序RCTS,使之能模拟反映出任意部位(如越冬层面)在任意时段的表面保温效果。通过实例计算,对比分析了导温系数法、导热系数法、等效表面散热系数法、等效厚度法在计算保温板保温效果方面的异同。计算结果表明,导热系数法与等效表面散热系数法的计算结果比较接近;等效厚度法由于是等效表面散热系数法的近似处理,计算结果有一定的差异,但相差不大,能满足工程要求:导温系数法往往得不到合理的结果。导热系数法和等效厚度法在建立模型、网格剖分和前处理中所需工作量较大,计算效率低,当保温板厚度变化时必须重新建立模型,且不能模拟出对越冬层面的保温;等效表面散热系数法不仅可以实现对上下游面的保温计算,而且能实现特定时段对越冬层面的保温计算,且计算精度高,工作量小。此外,本文结合某严寒地区碾压混凝土重力坝工程,用等效表面散热系数法计算并比较了无保温板以及有保温板条件下坝体的温度场、温度应力场。计算结果表明,坝体上下游面铺设5cm泡沫苯板进行表面保温后,减弱了混凝土与外界的热交换,降低了外界环境对混凝土表面的影响,减小了混凝土表面温度变幅,从而有效降低了混凝土的温度应力。同时,在越冬期对越冬层面铺设5cm泡沫苯板进行表面保温后,越冬层面的最大应力降低幅度达到18.3%～60%。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 大体积混凝土的定义及其结构特点
• 1.1.1 大体积混凝土的定义
• 1.1.2 大体积混凝土结构的特点
• 1.2 大体积混凝土的温度应力问题
• 1.3 温度问题的研究方法及研究现状
• 1.3.1 大体积混凝土温度场及应力场的研究方法
• 1.3.2 大体积混凝土温度场及应力场的研究现状
• 1.4 问题的提出及研究意义
• 1.5 本文研究目的及研究内容
• 1.5.1 研究目的
• 1.5.2 研究内容
• 2 大体积混凝土温度场和温度徐变应力场三维有限元计算原理
• 2.1 热传导基本理论
• 2.1.1 热传导方程
• 2.1.2 温度场的几个基本概念
• 2.1.3 热传导问题的定解条件
• 2.2 三维有限元基本理论
• 2.3 大体积混凝土温度场的有限单元法
• 2.3.1 大体积混凝土稳定温度场有限元计算公式
• 2.3.2 大体积混凝土非稳定温度场有限元计算公式
• 2.4 大体积混凝土应力场的有限单元法
• 2.4.1 混凝土的变形
• 2.4.2 大体积混凝土温度徐变应力的有限元隐式解法
• 3 大体积混凝土表面保温计算方法
• 3.1 概述
• 3.2 等效表面散热系数法
• 3.3 等效厚度法
• 3.4 导热系数法
• 3.4.1 导热系数法计算原理
• 3.4.2 导热系数法与导温系数法比较
• 4 程序的编制与验证
• 4.1 概述
• 4.2 程序总体结构
• 4.3 程序各部分功能介绍
• 4.3.1 前处理
• 4.3.2 程序内核系统
• 4.3.3 后处理
• 4.3.4 帮助系统
• 4.4 程序的修改及验证
• 4.4.1 难题的解决及程序的修改
• 4.4.2 程序的验证
• 4.5 本章小结
• 5 大体积混凝土表面保温工程实例分析
• 5.1 工程概况
• 5.2 基本资料
• 5.2.1 坝址气温和水温
• 5.2.2 碾压混凝土热力学参数
• 5.2.3 施工进度及蓄水过程
• 5.3 温控方案及计算模型
• 5.3.1 温控方案
• 5.3.2 计算模型
• 5.4 计算成果分析
• 5.4.1 非稳定温度场计算成果分析
• 5.4.2 应力场计算成果分析
• 6 结论与建议
• 6.1 结论
• 6.2 建议
• 致谢
• 参考文献
• 附录