水工混凝土湿热耦合应力研究

论文摘要

干缩和温度荷载是引起坝体表面开裂的重要原因;由于混凝土的湿荷载长期被忽略及干缩机理的复杂性,研究进展缓慢,干缩应力计算仍停留在经验公式估算水平;温度荷载的结构应力仿真计算虽然已经在过去的二十年中取得长足进展,但由于没有考虑湿度对热传导的影响,尚需进一步完善。事实上,混凝土内部的湿热传导是互相耦合的,在计算湿热应力时需要考虑耦合的影响,本文引用鲍克蒙[15]的湿热耦合传导控制方程,由此得到考虑耦合作用的湿度场和温度场,为进行下一步的结构计算奠定了基础;并根据国内外的研究进展,分析了混凝土干缩变形、温度变形的机制,建立了改进的混凝土干缩模型,及基于水化度的老化材料模型和自生收缩模型,给出了部分参数的拟合公式;编写了基于湿热耦合的结构计算有限元程序,通过和试验数据以及前人计算成果的比较,验证了程序的可靠性;在此基础上,通过四组算例的对比分析研究了混凝土湿热荷载引起的变形应力特性,及湿热耦合对应力的影响;并通过改变模型的湿热边界模拟了保温层在寒潮过程中的作用,为保温措施提供了依据。基于以上工作,本文得出以下结论:(1)湿度传导过程比较缓慢,在相对湿度为60%的干燥环境里达到湿平衡需要40天左右的时间;干缩应力梯度密集,主要集中在表层;在持续干燥情况下干缩应力可以达到混凝土抗拉极限。(2)温度传导过程比较迅速;温差影响的深度大,经过一段时间传导可达到距坝面数米深处;温度应力发展很快,10度的温差在10天后即可达到60个微应变,应力达到1.4MPa。(3)不同温度下的湿传导的速度有显著差异,进而影响到干缩应力的发展;而不同湿度下的温度传导过程差别不大,湿度场主要通过湿份迁移带走热量来影响温度场。(4)应加强早期混凝土及湿热变化剧烈地区的坝体表面的保温和保湿养护。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题的意义和目的
• 1.2 课题的研究背景及现状
• 1.2.1 湿热耦合
• 1.2.2 温度应力
• 1.2.3 干缩应力
• 1.3 本文的基本假设
• 1.4 论文的主要内容
• 第2章 混凝土湿热特性
• 2.1 混凝土的干缩
• 2.1.1 干缩的机理
• 2.1.2 干缩的数学模型
• 2.2 混凝土的温度变形
• 2.3 混凝土的水化特性
• 2.3.1 水化反应
• 2.3.2 水化度
• 2.3.3 水化模型
• 2.3.4 基于水化度的混凝土弹性模量
• 2.4 混凝土的自生收缩
• 2.4.1 自生收缩的机理
• 2.4.2 自生收缩的数学模型
• 2.5 混凝土的温湿度场分析
• 2.5.1 常系数非耦合的湿热传导模型
• 2.5.2 耦合的湿热传导模型
• 2.5.3 温湿度场的边界条件
• 2.6 本章小结
• 第3章 有限元计算模型
• 3.1 湿热应力计算的有限元格式
• 3.1.1 应力计算的有限元格式
• 3.1.2 增量方程的有限元格式
• 3.2 湿热耦合的有限元格式
• 3.3 分析步骤
• 3.3.1 湿热耦合分析步骤
• 3.3.2 结构分析步骤
• 3.4 有限元计算网格模型
• 3.4.1 网格模型
• 3.4.2 细部单元信息
• 3.5 材料参数的选取
• 3.5.1 材料的湿热传导参数
• 3.5.2 材料的力学参数
• 3.5.3 材料内部相对湿度与含水量的关系
• 3.6 本章小结
• 第4章 程序的编写与验证
• 4.1 本章引论
• 4.2 程序框架
• 4.3 程序检验
• 4.3.1 与试验数据的对比
• 4.3.2 与前人计算成果对比
• 4.4 本章小结
• 第5章 混凝土湿热应力研究
• 5.1 本章引论
• 5.2 混凝土干缩及应力的研究
• 5.2.1 环境湿度对干缩的影响
• 5.2.2 温度对干缩的影响
• 5.3 混凝土温度变形的研究
• 5.3.1 温度对变形及应力的影响
• 5.3.2 环境湿度对温度应力的影响
• 5.4 寒潮影响下保温效果研究
• 5.5 本章小结
• 第6章 结论与展望
• 6.1 本文的主要工作和结论
• 6.2 混凝土湿热耦合应力研究展望
• 参考文献
• 致谢
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果