跨海沉管隧道混凝土结构耐久性与抗裂性研究

论文摘要

为了促进华南地区经济的进一步快速发展,港珠澳跨海大桥的建设正火热进行。跨海沉管隧道处于高温高湿的海洋环境中,受氯离子侵蚀严重、服役寿命要求高、可维修性差且维修成本高；沉管管节属于复杂截面大体积混凝土构件,早期裂缝控制要求极高。如何保证混凝土结构的耐久性与抗裂性、确保沉管隧道在设计基准期间不维修和少维修非常重要。因此,针对跨海沉管隧道耐久性与抗裂性开展专题研究十分必要与迫切。本文在全面论述华南地区跨海沉管隧道耐久性影响因素的基础上,针对华南地区高温高湿的海洋环境氯离子对混凝土侵蚀导致钢筋锈胀开裂引起结构耐久性损伤的原理、适用于沉管隧道的高耐久性高抗裂混凝土的制备与试验、大体积复杂截面混凝土构件水化热温度应力的参数化分析及其裂缝控制技术等问题进行了研究,建立了跨海沉管隧道重要结构耐久性与抗裂性的研究方法和理论框架体系。论文进行的工作及其创新点主要有：1)根据华南地区海洋环境,通过结构耐久性的影响因素、损伤机理以及结构耐久性寿命预测模型进行定性分析,提出混凝土耐久性主要影响因素为高温高湿高氯离子浓度的海洋环境；并综述了高温高湿环境对结构耐久性的影响研究。2)系统地总结了高耐久高抗裂混凝土的设计原则与方法,确定了采用粉煤灰和矿渣双掺,降低水化热,降低氯离子渗透系数的设计思想。并据此配制了沉管隧道用高耐久性高抗裂混凝土,通过普通力学试验、氯离子渗透试验、水化热试验优选混凝土最优配合比。3)建立复杂截面大体积混凝土早期应力有限元分析模型,系统分析预制沉管管节早期应力问题。在MIDAS平台开展水化热温度应力参数化分析,通过调整材料、施工及养护的参数寻找最优的总体方案,深入探究了各关键参数对混凝土水化热温度裂缝的影响,并确定满足裂缝控制要求的材料、施工、养护等关键技术指标。4)对早期裂缝的影响因素以及预防措施进行了系统的分析,提出了采用高耐久高抗裂混凝土,降低入模温度,室内恒温保湿保温养护等综合裂缝控制措施；结合早期应力参数化分析结果提出了危险期和危险区重点防护的裂缝控制思想和措施。论文还对大体积混凝土温度应力有限元分析软件的编程思路,前后处理中的各种分析模拟技术以及仿真分析所涉及的混凝土各种时变特性参数的模拟方法进行了探讨。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 研究背景
• 1.2 研究意义
• 1.3 国内外研究现状
• 1.3.1 结构耐久性研究现状
• 1.3.2 混凝土裂缝控制技术研究现状
• 1.4 市场预测和发展趋势
• 1.5 本文研究的主要内容
• 1.5.1 华南地区气候条件下海洋结构物腐蚀的特点
• 1.5.2 跨海沉管隧道结构高耐久性高抗裂性混凝土的配合比研究
• 1.5.3 大体积复杂截面混凝土裂缝控制技术研究
• 1.6 研究技术路线
• 1.6.1. 高耐久性高抗裂混凝土的研究
• 1.6.2. 大体积复杂截面混凝土沉管管节早期裂缝控制
• 1.7 本文主要研究成果及创新点
• 第二章 华南地区海洋环境下跨海沉管隧道 混凝土结构耐久性寿命特征
• 2.1 引言
• 2.2 结构耐久性影响因素及其损伤机理
• 2.2.1 结构耐久性影响因素
• 2.2.2 结构耐久性损伤机理
• 2.3 跨海大桥结构耐久性寿命模型参数
• 2.3.1 耐久性寿命准则
• 2.3.2 混凝土耐久性寿命预测模型与参数
• 2.4 小结
• 第三章 跨海沉管隧道高耐久高抗裂混凝土研究
• 3.1 引言
• 3.2 粉煤灰、矿渣双掺对混凝土耐久性抗裂性的影响研究
• 3.3 高耐久高抗裂混凝土配合比设计原则与试验方法
• 3.3.1 设计原则
• 3.3.2 氯离子渗透性试验方法可靠性与试验选择
• 3.4 沉管用高耐久性高抗裂混凝土的配合比设计
• 3.4.1 沉管管段混凝土性能要求
• 3.4.2 混凝土原材料
• 3.4.3 试验方法
• 3.4.4 沉管管段混凝土配合比设计
• 3.4.5 高耐久性混凝土的性能测试
• 3.4.6 胶凝材料水化热性能测试
• 3.5 本章小结
• 第四章 复杂截面大体积混凝土早期应力参数化分析
• 4.1 引言
• 4.2 早期应力参数化分析的基本原理
• 4.2.1 温度场—应力场有限元计算研究方法
• 4.2.2 有限元模拟
• 4.2.3 利用温度裂缝指数预测温度裂缝
• 4.2.4. 水化热参数化分析
• 4.2.5 参数化分析流程
• 4.3 有限元计算模型的建立
• 4.3.1 基本假设
• 4.3.2 计算考虑的荷载和边界条件
• 4.3.3 初始条件
• 4.3.4 有限元分析系统设计
• 4.4 工程实施概况
• 4.5 沉管有限元参数化分析模型
• 4.5.1 混凝土配合比参数
• 4.5.2 混凝土水化热参数
• 4.5.3 应力计算参数及边界条件
• 4.5.4 施工参数
• 4.5.5 养护参数
• 4.5.6 有限元模型
• 4.6 基本参照模型的分析
• 4.6.1 温度场分析结果
• 4.6.2 温度应力分析结果
• 4.7 参数化分析过程及结果
• 4.7.1 三种待选混凝土材料的比较和筛选
• 4.7.2 施工方案比较及评价
• 4.7.3 比较并筛选最优的养护方案
• 4.8. 结论
• 第五章 基于早期应力参数化分析的大体积混凝土裂缝控制
• 5.1 引言
• 5.2 预制管节早期裂缝产生的可能原因
• 5.2.1 大流动性泵送混凝土的特点
• 5.2.2 高强混凝土的应用
• 5.2.3 沉管结构约束大截面复杂
• 5.2.4 外加剂的负效应
• 5.2.5 养护方法不当
• 5.2.6 混凝土质量问题
• 5.3 防止早期裂缝的技术对策
• 5.3.1 结构设计方面
• 5.3.2 混凝土材质方面
• 5.3.3 施工质量控制方面
• 5.3.4 养护技术方面
• 5.4 预制管节早期裂缝控制措施
• 5.4.1 结构设计方面
• 5.4.2 混凝土材质方面
• 5.4.3 建议配合比
• 5.4.4 施工质量控制方面
• 5.4.5 养护技术方面
• 5.5 危险区和危险期的裂缝控制
• 5.5.1 利用混杂纤维来改善混凝土的物理力学性能
• 5.5.2 在开裂危险区设置不锈钢丝网
• 5.5.3 开裂危险区采用透水模板布
• 5.5.4 开裂危险期进行密闭恒温恒湿环境养护
• 5.6 结语
• 第六章 总结与展望
• 6.1 本文的主要研究成果
• 6.2 需要进一步研究的问题
• 参考文献
• 致谢
• 在学期间发表学术论文清单