某水闸工程混凝土温度控制与防裂研究

论文摘要

水闸是水利工程中一种重要的水工建筑物,这种倒T字形结构的体积一般比较庞大,且由于施工和结构上的需要,常常进行大块的浇筑。混凝土结构内部产生大量水化热,将引起很大的温升,这种温升以及随后的降温带来的巨大温度升降变化将产生一系列的结构问题,特别是混凝土的开裂问题。在水闸结构的闸墩与底板上产生了大量的表面裂缝甚至贯穿性裂缝,这不仅破坏了结构的整体性,影响结构的受力状况与稳定,给结构的运行带来不确定性,而且容易导致内部钢筋锈蚀,降低结构的耐久性,有时还会引起渗漏变形,危及基础的稳定性。本文围绕水闸混凝土热力学参数确定、裂缝成因机理、温度场与应力场仿真分析、防裂限裂措施及裂缝补救方法等,作了如下的工作：(1)在深入分析国内外相关混凝土工程,以及外加剂、掺合料等的发展现状基础上,探讨了水工混凝土裂缝形成的各环节因素和危害性,以及各环节需解决的问题。(2)分析了水闸裂缝的开裂形式及其成因,指出了水闸的裂缝主要是在早期形成的,而早期裂缝的形成主要是由于混凝土温度变化引起的热胀冷缩和混凝土的自身体积收缩引起的。因此必须采取适当的工程措施,对早期混凝土进行温度控制和表面保温养护,防止裂缝的发生。(3)阐述了三维不稳定温度场和徐变应力场的基本理论及其有限元计算方法,并运用有限元软件ANSYS进行仿真分析,考虑大气温度以及周围自然环境的变化等,通过单元生死技术对施工过程进行模拟,对混凝土绝热温升、应力等明显地依赖于混凝土龄期的现象也进行了精细的模拟。(4)通过分析水闸这种倒T形混凝土结构裂缝的成因,分别提出了具有针对性的工程措施,有效地控制混凝土的温度和自身体积的收缩,防止裂缝的产生。(5)结合某水闸的具体设计、施工情况,通过ANSYS仿真分析,精确模拟了不同工况下混凝土温度场和应力场的变化情况,重点分析了寒潮、高温浇筑、是否设置冷却水管对温度场和应力场的影响。通过对某枢纽工程水闸的温控防裂措施研究,为以后类似工程的温控设计提供参考和指导作用。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 水闸裂缝的形成及主要原因
• 1.3 水闸裂缝的成因
• 1.4 水闸裂缝的危害
• 1.4.1 产生渗漏
• 1.4.2 加速混凝土碳化
• 1.4.3 降低混凝土的耐腐蚀能力
• 1.4.4 加快钢筋的腐蚀
• 1.4.5 影响混凝土结构的强度和稳定性
• 1.5 水闸温控防裂的现状
• 1.6 本文主要研究内容
• 2 水闸结构温度裂缝产生的机理
• 2.1 混凝土结构中的温度分布及影响因素
• 2.1.1 外界条件的影响
• 2.1.2 内部条件的影响
• 2.2 混凝土结构中的裂缝
• 2.2.1 裂缝的分类
• 2.2.2 裂缝的特性
• 2.3 混凝土结构温度场和温度应力基本原理
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 热传导基本方程
• 2.3.3 温度场中的几个基本概念
• 2.3.4 热传导方程的初始条件与边界条件
• 2.3.5 热力学主要参数
• 2.3.6 热弹性理论的基本方程
• 2.3.7 水闸结构的计算温差及影响系数
• 3 水闸的温度场和温度应力
• 3.1 水闸温度场分析
• 3.1.1 外界条件的影响
• 3.1.2 内部热源
• 3.1.3 水闸温度场方程的建立
• 3.2 水闸的温度应力分析
• 3.2.1 热传导总矩阵方程
• 3.2.2 单元刚度矩阵
• 3.2.3 单元应变方程和应力方程
• 3.3 有限元计算步骤
• 3.4 ANSYS计算分析步骤
• 4 河口大闸的混凝土裂缝成因及温控防裂措施
• 4.1 墩墙混凝土的典型裂缝及其成因
• 4.1.1 裂缝形态
• 4.1.2 裂缝成因
• 4.2 底板混凝土裂缝及成因
• 4.3 温控防裂措施
• 4.3.1 混凝土材料选择
• 4.3.2 选择混凝土浇筑时间
• 4.3.3 控制混凝土的温度
• 4.3.4 改善约束
• 4.3.5 改善混凝土的养护
• 4.3.6 架设预应力钢筋
• 4.3.7 掺氧化镁技术
• 4.4 本章小节
• 5 某水闸温度场仿真分析
• 5.1 工程概况
• 5.2 计算参数和计算模型
• 5.2.1 气温
• 5.2.2 砼配合比
• 5.2.3 混凝土热学和力学性能参数
• 5.2.4 地基的热学与力学性能参数
• 5.2.5 计算模型
• 5.3 计算假定
• 5.4 计算工况
• 5.5 计算结果分析
• 5.5.1 常规浇筑时的结果分析
• 5.5.2 寒潮对温度场和应力场的影响
• 5.5.3 高温天气浇筑墩墙
• 5.5.4 冷却水管对温度场和应力场的影响
• 5.6 本章小结
• 6 总结与展望
• 6.1 本文总结
• 6.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录 在校学习期间所发表的论文、专利、获奖及社会评价等