明挖地铁顶板温度应力模拟
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运 ￣ Ｓ Ｓ Ｎ Ｙ 对某城市明挖地铁 车站顶板进行温
度 瘟 力模 拟 。 分 析 温 度 场 和 温 度 应 力 场 形 成
的 原 圆 ， 为 混 凝 土 设 计 提 供 温 度 裂 缝 控 制 措
轴 对 称 模 型 ， 如 图 ｌ。 ３３模拟 步骤 ． 本次模拟采用ＡＮＳ Ｓ Ｙ 热 应 力耦合分
放 热 化 学 反应 ， 在整 个混 凝 土 凝 固 的 过 程 中 向外 界 释放 出 了大 量 的 热 。 一 般 常 用 的 水 泥 的 水化 热 变 化 特 点 为 ：早 期 １ ｄ放 ～３ 热 迅 速 ， 放 热 曲 线 近 似 直 线 上 升 ； 中 期 ４ ｄ放热缓慢逐渐缓慢 ，６ ６ ｄ后放热 曲线近 似 水平 直 线 发 展 。 通 过 一 系 列 的科 学 研 究
内部就会产生一个 内部 中心温度高、散热 慢 ，外表 面散 热快 ，最终使混凝土产生出 具有 一定梯度 的温度场 。
２２温 度 应 力的 成 因 ． 混 凝 土 内 部 的 温 度 差 异 是 引起 混 凝 土
施验算的可行性模 型及办法 。
鼢
Ｉ叠 － ０ 誊 ≯ 麓 ≯ 。ｌ ｌ
前 言
大 型的混凝土结 构在设计和施工的过 程 中无可避免地需要面对各种结构 裂缝的 问题 。 许多混凝土结构 、 砌体结构等建筑物 在 建设过 程 和 使用 过程 中出现 了不 同程 度 、 不 同 形式 的 裂 缝 ，这 是 一 个相 当普 遍 的 现
象 。虽 然结 构 设 计 是 建 立 在 强度 的 极 限 承 载 力基 础 上 的 ，但 大 多数 工程 的使 用 标 准 却 是 由 裂缝 控 制 的 。 所 以 对 于大 型的 混 凝 土 结 构 的 裂缝 的 防 治 与 发 展控 制 ， 直接 影 响着整个结构的使用功能及工作寿命。
裂缝 。 为变 形 裂缝 的 一种 ， 度 裂缝 由其 作 温 产 生 的原 因 的不 同 又分 为两 种 不 同的 类 型： 干 缩 裂 缝和 温 差 裂 缝 。
反应 ，在温度高低变化的过 程中混凝土 各 部分热胀冷缩变形的不协调引起 了各部分 的位移 ，所以混凝土内部硬化过程 中的温 度变化 幅度是控制收 缩的一 个重要指标 。 总而言之 ，减少混凝土 开裂的基本原则不 外乎 ： （ １） 减 少 混 凝 土 的 总 体 收 缩 和 不 均
１ 混凝 土结构 温度 裂缝 的类型
结构物往实际工程运用中主要 承受两 大类荷载， 中， 其 静荷载 、 动荷载和其他荷 载 称为 第 一 类 荷 载 ；而 变形 荷 载 称 之 为 第 二类 荷 载 。 以 ， 所 裂缝 也 就 可以 简单 地 分 成 两大 类：荷载 引起的 裂 缝 、 变形 变 化 引起 的
匀收 缩 ； （ ）减 少 混 凝 土 所 受 的 约 束 ； ２ （ ）合理 地 利 用 混 凝 土 凝结 硬 化过 程 ３ 中力 学 性 能 的 变 化 ，使 其 朝 着有 利 于 防 裂
的 方 向发 展 。
２ 温 度应 力产生 的原 因分析及 控 制
措 施
２ １水化热产生的温度差 ． 水 泥在 其 硬 化 的 过程 中 发生 一 系列 的
维普资讯
明挖地铁顶板温 度应力模拟
陈延卓 姜智平 耿瑞琦 北京 交通大学土木建 筑工程 学院 １０ ４ ０４ ０ 中铁工程设计咨询集团有 限公 司 北京地铁轨 道技术股份有 限公 司
度 低 的部 分传 导 。 所 以浇 筑 的 混 凝 土 板 块
足也 会 产 生温 度应 力 。 ２３ 影响 温 度 裂缝 的 因素 及控 制 措 施 ． 混凝土的变形原因主要是混凝土硬化 的 过 程 中相 关 的 化 学 反 应 是 一 系 列的 放 热
３ 设 置结 构分析常 熟 ，包括材料 属 ） 性 ，边 缘 约 束 条 件 ； ４ 进行结 构分析 ，读入热分析处理结 ） 果进 行 求 解 。 ３４温 度场 分析 ． 根 据 前 期 的 大 量科 学 演 算 及 实 验 ，论 证 了大体积混凝土在硬化工程 中的最高温 度一般都 出现在浇筑后的第 ３ ５天内。在 ２ 天 后 ，混 凝 土 表 面温 度和 内部 温度 都 会 ８ 有明显的下降， 回落到环境温度左右。 本次 数值模拟将模拟混凝土浇筑 ２ 天内的整个 ８ 温度场变化 ，为了更好地模拟混凝土早期 的温度场 ，在早期 （ ～２ ）计算步长为 ０ ０ ｄ ． １ ｄ，中前期 （ ～４ ）计算步长为 ０２ ，中 ２ ｄ ．ｄ 后期 （ ～１ｄ） ４ ０ 计算步长为０５ ， ．ｄ 后期 （０ １～ ２ｄ ８ ）计算步长为 ２ 。共计 ５ 分步模拟温 ｄ ０ 度的产生 和热量 的扩散 。 温度的边 界条件 ，按 先 模拟 热学 分 析 ，再将其结果最为体荷载施加到后续的 应 力分 析 中 。具 体 步骤 如下 ： １选取 Ｓ Ｌ Ｄ ０单元对结构进行瞬态 ） Ｏ Ｉ７ 热分 析 ； ２ 重新进入前 处理 ，转化结构单元为 ）
Ｓ ＯＬＩ Ｄ４５：
混 凝 土 ； 水 化 热 ； 温 度 应 力 ； 数 值 模 拟
温度应力的最主要原因。 当温度升高 ， 混凝 土 向 外膨 胀 ； 当温 度降 低 ，混 凝 土 向 内 收 缩 。 如果 整个 混 凝 士 单 元 能 够 整 体地 均 匀 地 升温 或 者 降 温 ，那 整 体 膨 胀 或 者 收 缩 对 于没有约束的混凝土将不会产生任何 的应 力。 可实际上呢？由＿ 丁散热条件的不同， 混 凝土 内部在散热过程中形成的温 度差异常 引起 了混 凝 土 内部 的 温 度 应 力 的 产生 ， 但 这 并 不是 温 度 应 力产 生 的 唯一 条 件 。同样 ， 外 部 约 束 的 控 制 如 果 使 构 件 变形 得不 到 满
度 瘟 力模 拟 。 分 析 温 度 场 和 温 度 应 力 场 形 成
的 原 圆 ， 为 混 凝 土 设 计 提 供 温 度 裂 缝 控 制 措
轴 对 称 模 型 ， 如 图 ｌ。 ３３模拟 步骤 ． 本次模拟采用ＡＮＳ Ｓ Ｙ 热 应 力耦合分
放 热 化 学 反应 ， 在整 个混 凝 土 凝 固 的 过 程 中 向外 界 释放 出 了大 量 的 热 。 一 般 常 用 的 水 泥 的 水化 热 变 化 特 点 为 ：早 期 １ ｄ放 ～３ 热 迅 速 ， 放 热 曲 线 近 似 直 线 上 升 ； 中 期 ４ ｄ放热缓慢逐渐缓慢 ，６ ６ ｄ后放热 曲线近 似 水平 直 线 发 展 。 通 过 一 系 列 的科 学 研 究
内部就会产生一个 内部 中心温度高、散热 慢 ，外表 面散 热快 ，最终使混凝土产生出 具有 一定梯度 的温度场 。
２２温 度 应 力的 成 因 ． 混 凝 土 内 部 的 温 度 差 异 是 引起 混 凝 土
施验算的可行性模 型及办法 。
鼢
Ｉ叠 － ０ 誊 ≯ 麓 ≯ 。ｌ ｌ
前 言
大 型的混凝土结 构在设计和施工的过 程 中无可避免地需要面对各种结构 裂缝的 问题 。 许多混凝土结构 、 砌体结构等建筑物 在 建设过 程 和 使用 过程 中出现 了不 同程 度 、 不 同 形式 的 裂 缝 ，这 是 一 个相 当普 遍 的 现
象 。虽 然结 构 设 计 是 建 立 在 强度 的 极 限 承 载 力基 础 上 的 ，但 大 多数 工程 的使 用 标 准 却 是 由 裂缝 控 制 的 。 所 以 对 于大 型的 混 凝 土 结 构 的 裂缝 的 防 治 与 发 展控 制 ， 直接 影 响着整个结构的使用功能及工作寿命。
裂缝 。 为变 形 裂缝 的 一种 ， 度 裂缝 由其 作 温 产 生 的原 因 的不 同 又分 为两 种 不 同的 类 型： 干 缩 裂 缝和 温 差 裂 缝 。
反应 ，在温度高低变化的过 程中混凝土 各 部分热胀冷缩变形的不协调引起 了各部分 的位移 ，所以混凝土内部硬化过程 中的温 度变化 幅度是控制收 缩的一 个重要指标 。 总而言之 ，减少混凝土 开裂的基本原则不 外乎 ： （ １） 减 少 混 凝 土 的 总 体 收 缩 和 不 均
１ 混凝 土结构 温度 裂缝 的类型
结构物往实际工程运用中主要 承受两 大类荷载， 中， 其 静荷载 、 动荷载和其他荷 载 称为 第 一 类 荷 载 ；而 变形 荷 载 称 之 为 第 二类 荷 载 。 以 ， 所 裂缝 也 就 可以 简单 地 分 成 两大 类：荷载 引起的 裂 缝 、 变形 变 化 引起 的
匀收 缩 ； （ ）减 少 混 凝 土 所 受 的 约 束 ； ２ （ ）合理 地 利 用 混 凝 土 凝结 硬 化过 程 ３ 中力 学 性 能 的 变 化 ，使 其 朝 着有 利 于 防 裂
的 方 向发 展 。
２ 温 度应 力产生 的原 因分析及 控 制
措 施
２ １水化热产生的温度差 ． 水 泥在 其 硬 化 的 过程 中 发生 一 系列 的
维普资讯
明挖地铁顶板温 度应力模拟
陈延卓 姜智平 耿瑞琦 北京 交通大学土木建 筑工程 学院 １０ ４ ０４ ０ 中铁工程设计咨询集团有 限公 司 北京地铁轨 道技术股份有 限公 司
度 低 的部 分传 导 。 所 以浇 筑 的 混 凝 土 板 块
足也 会 产 生温 度应 力 。 ２３ 影响 温 度 裂缝 的 因素 及控 制 措 施 ． 混凝土的变形原因主要是混凝土硬化 的 过 程 中相 关 的 化 学 反 应 是 一 系 列的 放 热
３ 设 置结 构分析常 熟 ，包括材料 属 ） 性 ，边 缘 约 束 条 件 ； ４ 进行结 构分析 ，读入热分析处理结 ） 果进 行 求 解 。 ３４温 度场 分析 ． 根 据 前 期 的 大 量科 学 演 算 及 实 验 ，论 证 了大体积混凝土在硬化工程 中的最高温 度一般都 出现在浇筑后的第 ３ ５天内。在 ２ 天 后 ，混 凝 土 表 面温 度和 内部 温度 都 会 ８ 有明显的下降， 回落到环境温度左右。 本次 数值模拟将模拟混凝土浇筑 ２ 天内的整个 ８ 温度场变化 ，为了更好地模拟混凝土早期 的温度场 ，在早期 （ ～２ ）计算步长为 ０ ０ ｄ ． １ ｄ，中前期 （ ～４ ）计算步长为 ０２ ，中 ２ ｄ ．ｄ 后期 （ ～１ｄ） ４ ０ 计算步长为０５ ， ．ｄ 后期 （０ １～ ２ｄ ８ ）计算步长为 ２ 。共计 ５ 分步模拟温 ｄ ０ 度的产生 和热量 的扩散 。 温度的边 界条件 ，按 先 模拟 热学 分 析 ，再将其结果最为体荷载施加到后续的 应 力分 析 中 。具 体 步骤 如下 ： １选取 Ｓ Ｌ Ｄ ０单元对结构进行瞬态 ） Ｏ Ｉ７ 热分 析 ； ２ 重新进入前 处理 ，转化结构单元为 ）
Ｓ ＯＬＩ Ｄ４５：
混 凝 土 ； 水 化 热 ； 温 度 应 力 ； 数 值 模 拟
温度应力的最主要原因。 当温度升高 ， 混凝 土 向 外膨 胀 ； 当温 度降 低 ，混 凝 土 向 内 收 缩 。 如果 整个 混 凝 士 单 元 能 够 整 体地 均 匀 地 升温 或 者 降 温 ，那 整 体 膨 胀 或 者 收 缩 对 于没有约束的混凝土将不会产生任何 的应 力。 可实际上呢？由＿ 丁散热条件的不同， 混 凝土 内部在散热过程中形成的温 度差异常 引起 了混 凝 土 内部 的 温 度 应 力 的 产生 ， 但 这 并 不是 温 度 应 力产 生 的 唯一 条 件 。同样 ， 外 部 约 束 的 控 制 如 果 使 构 件 变形 得不 到 满