混凝土溫度效應(yīng)理論

1、6.26.2混凝土的溫度效應(yīng)理論混凝土的溫度效應(yīng)理論2020世紀(jì)年世紀(jì)年5050代初期代初期，德國(guó)學(xué)者從混凝土橋墩裂縫的現(xiàn)場(chǎng)，德國(guó)學(xué)者從混凝土橋墩裂縫的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析中，調(diào)查分析中，認(rèn)識(shí)認(rèn)識(shí)到到溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的重要性重要性。我國(guó)我國(guó)鐵道部大橋局曾在鐵道部大橋局曾在2020世紀(jì)世紀(jì)5050年代末年代末對(duì)實(shí)體混凝土橋?qū)?shí)體混凝土橋墩的墩的溫差應(yīng)力溫差應(yīng)力作了作了調(diào)研工作調(diào)研工作。在溫度應(yīng)力研究的在溫度應(yīng)力研究的起步階段起步階段，國(guó)內(nèi)外都以，國(guó)內(nèi)外都以年溫變化年溫變化產(chǎn)生的產(chǎn)生的均勻溫度分布為依據(jù)均勻溫度分布為依據(jù)。6.26.2混凝土的溫度效應(yīng)理論混凝土的溫度效應(yīng)理論隨著試

2、驗(yàn)及理論研究的進(jìn)展，開(kāi)始認(rèn)識(shí)到隨著試驗(yàn)及理論研究的進(jìn)展，開(kāi)始認(rèn)識(shí)到溫度分布的非線(xiàn)溫度分布的非線(xiàn)性性問(wèn)題。問(wèn)題。直到直到2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代初年代初，英國(guó)，英國(guó)D.A.StephensonD.A.Stephenson的研究成的研究成果，才使對(duì)溫度應(yīng)力的果，才使對(duì)溫度應(yīng)力的研究從研究從考慮一般的考慮一般的氣溫作用氣溫作用，進(jìn)入進(jìn)入到考慮到考慮日照作用日照作用的新階段。的新階段。 6.26.2混凝土的溫度效應(yīng)理論混凝土的溫度效應(yīng)理論從從2020世紀(jì)世紀(jì)6060年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外都發(fā)現(xiàn)由于年代以來(lái)，國(guó)內(nèi)外都發(fā)現(xiàn)由于溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力而而導(dǎo)致導(dǎo)致混凝土混凝土橋梁嚴(yán)重裂損橋梁嚴(yán)重裂損的事故。的事故。F

3、ritz LeonhardtFritz Leonhardt 曾提到：曾提到：n在箱型橋梁和肋板橋梁的在箱型橋梁和肋板橋梁的頂面頂面與與下緣下緣之間的之間的溫差溫差可可達(dá)到達(dá)到27332733；n預(yù)應(yīng)力混凝土預(yù)應(yīng)力混凝土箱型橋梁箱型橋梁大都因大都因溫差應(yīng)力溫差應(yīng)力而而損害損害；6.26.2混凝土的溫度效應(yīng)理論混凝土的溫度效應(yīng)理論n在不考慮溫差應(yīng)力的設(shè)計(jì)中，在不考慮溫差應(yīng)力的設(shè)計(jì)中，輕信輕信在計(jì)算在計(jì)算荷載下荷載下結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)無(wú)拉應(yīng)力就不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力是錯(cuò)誤的無(wú)拉應(yīng)力就不會(huì)出現(xiàn)拉應(yīng)力是錯(cuò)誤的。隨著隨著空心高橋墩空心高橋墩、大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土、大跨度預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁箱梁橋等一些橋等一些混凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展，混

4、凝土結(jié)構(gòu)的發(fā)展，溫度應(yīng)力溫度應(yīng)力對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響影響和和危害危害，已越來(lái)越，已越來(lái)越引起引起工程界的工程界的重視重視。6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載 6.2.1.1 6.2.1.1 溫度分布與溫度荷載的特點(diǎn)溫度分布與溫度荷載的特點(diǎn)混凝土橋梁竣工后，某一時(shí)刻混凝土橋梁竣工后，某一時(shí)刻結(jié)構(gòu)內(nèi)部與表面各點(diǎn)結(jié)構(gòu)內(nèi)部與表面各點(diǎn)的的溫度狀態(tài)溫度狀態(tài)即為即為溫度分布溫度分布。由于由于混凝土混凝土的的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)較較小小，在，在外表溫度急變外表溫度急變的情的情況下，況下，內(nèi)部溫度變化內(nèi)部溫度變化存在存在明顯明顯的的滯后滯后現(xiàn)象，導(dǎo)致現(xiàn)象，導(dǎo)致每每層層混凝土所混

5、凝土所得到或擴(kuò)散得到或擴(kuò)散的的熱量熱量有較大的有較大的差異差異，形成，形成非線(xiàn)性分布非線(xiàn)性分布的溫度的溫度狀態(tài)狀態(tài)。影響混凝土影響混凝土溫度分布溫度分布的的外部因素外部因素主要是主要是大氣溫度大氣溫度變化變化的的作用作用，如太陽(yáng)輻射、夜間降溫、寒流、風(fēng)、雨、雪，如太陽(yáng)輻射、夜間降溫、寒流、風(fēng)、雨、雪等各種氣象的作用等各種氣象的作用 。影響混凝土影響混凝土溫度分布溫度分布的的內(nèi)部因素內(nèi)部因素，則主要由，則主要由混凝土混凝土的的熱物理性質(zhì)熱物理性質(zhì)、構(gòu)件形狀等構(gòu)件形狀等決定。決定。6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載 6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度

6、荷載1 1、混凝土的熱物理性能、混凝土的熱物理性能混凝土的混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)和和比熱等比熱等熱工熱工參數(shù)參數(shù)的主要的主要影響因素影響因素是其是其配合料配合料。齡期齡期與與水灰比水灰比對(duì)熱工參數(shù)對(duì)熱工參數(shù)影響較小影響較小。骨料骨料對(duì)混凝土對(duì)混凝土導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù)的的影響較大影響較大，一般骨料的導(dǎo)熱，一般骨料的導(dǎo)熱系數(shù)約為系數(shù)約為1.863.49 (1.863.49 (約為黑金屬的約為黑金屬的1/271/27），），而輕骨料的導(dǎo)熱系數(shù)約為而輕骨料的導(dǎo)熱系數(shù)約為1.16 1.16 。骨料骨料對(duì)混凝土對(duì)混凝土比熱比熱的的影響影響也也較明顯較明顯，普通骨料的比熱，普通骨料的比熱為為8001200

7、8001200 ，約為輕骨料比熱的，約為輕骨料比熱的1.61.6倍左右。倍左右。)/(CmsWo)/(CmsWo )/(CkgJo 6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載1 1、混凝土的熱物理性能、混凝土的熱物理性能在在常溫范圍常溫范圍內(nèi)混凝土的內(nèi)混凝土的線(xiàn)膨脹系數(shù)線(xiàn)膨脹系數(shù)一般是一般是不變不變的，的，輕輕質(zhì)骨料質(zhì)骨料混凝土的混凝土的數(shù)值較小數(shù)值較小。在在一般工程計(jì)算一般工程計(jì)算中，普通骨料的混凝土、鋼筋混凝土中，普通骨料的混凝土、鋼筋混凝土和預(yù)應(yīng)力混凝土，和預(yù)應(yīng)力混凝土，線(xiàn)膨脹系數(shù)線(xiàn)膨脹系數(shù)可采用可采用 。Co/100.15 6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫

8、度分布與溫度荷載2 2、溫度荷載的特點(diǎn)、溫度荷載的特點(diǎn) 混凝土橋梁混凝土橋梁構(gòu)件的構(gòu)件的溫度隨時(shí)在變化溫度隨時(shí)在變化。就。就自然環(huán)境自然環(huán)境條條件變化所件變化所產(chǎn)生產(chǎn)生的的溫度荷載溫度荷載，一般可分為，一般可分為日照日照、驟然降驟然降溫溫及及年溫變化年溫變化溫度荷載溫度荷載三種類(lèi)型三種類(lèi)型。各各種種溫溫度度荷荷載載特特點(diǎn)點(diǎn)匯匯總總表表 特點(diǎn)溫度荷載主要影響因素時(shí)間性作用范圍分布狀態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)影響復(fù)雜性日照溫度太陽(yáng)輻射短時(shí)急變局部性不均勻局部應(yīng)力大最復(fù)雜驟然降溫強(qiáng)冷空氣短時(shí)變化整體較均勻應(yīng)力較大較復(fù)雜年溫變化緩慢溫變長(zhǎng)期緩慢整體均勻整體位移大簡(jiǎn)單6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫

9、度荷載2 2、溫度荷載的特點(diǎn)、溫度荷載的特點(diǎn)日照溫度日照溫度變化的主要變化的主要因素因素是太陽(yáng)是太陽(yáng)輻射強(qiáng)度輻射強(qiáng)度、氣溫變化氣溫變化和和風(fēng)速風(fēng)速，而從，而從設(shè)計(jì)控制設(shè)計(jì)控制溫度荷載來(lái)溫度荷載來(lái)考慮考慮，可簡(jiǎn)化為，可簡(jiǎn)化為太太陽(yáng)輻射陽(yáng)輻射與與氣溫變化氣溫變化這兩個(gè)因素。這兩個(gè)因素。驟然降溫驟然降溫一般只要考慮兩個(gè)一般只要考慮兩個(gè)因素因素，即，即氣溫變化氣溫變化和和風(fēng)速風(fēng)速，可以可以忽略日輻射忽略日輻射的影響。驟然降溫溫度荷載的影響。驟然降溫溫度荷載變化變化較日較日照溫度荷載照溫度荷載緩慢緩慢、作用、作用時(shí)間長(zhǎng)時(shí)間長(zhǎng)。年溫變化年溫變化比較簡(jiǎn)單，在工程設(shè)計(jì)中已考慮。比較簡(jiǎn)單，在工程設(shè)計(jì)中已考慮。

10、6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載3 3、橋梁構(gòu)件溫度分布的特點(diǎn)、橋梁構(gòu)件溫度分布的特點(diǎn)橋梁橋梁構(gòu)件構(gòu)件的的構(gòu)造明顯影響溫度分布構(gòu)造明顯影響溫度分布。在混凝土在混凝土箱梁箱梁中，沿中，沿頂板頂板表面表面溫度分布溫度分布比比較均勻較均勻，但，但沿沿腹板腹板表面的表面的溫度分布溫度分布則則隨時(shí)隨時(shí)間而間而變變?；炷粱炷了⒍罩罩Y(jié)構(gòu)的垂直表面的結(jié)構(gòu)的垂直表面的溫度分布溫度分布，隨隨表表面的面的朝向朝向、太陽(yáng)方位角太陽(yáng)方位角的變化的變化而異而異。6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載3 3、橋梁構(gòu)件溫度分布的特點(diǎn)、橋梁構(gòu)件溫度分布的特點(diǎn)鋼筋

11、鋼筋對(duì)構(gòu)件溫度分布的對(duì)構(gòu)件溫度分布的影響較小影響較小，可不予考慮。，可不予考慮。公路橋梁頂板上的公路橋梁頂板上的瀝青路面瀝青路面層，當(dāng)其層，當(dāng)其較厚時(shí)較厚時(shí)對(duì)頂板有對(duì)頂板有明顯的明顯的減溫減溫作用，但作用，但較薄時(shí)較薄時(shí)因其因其吸熱吸熱作用而對(duì)頂板作用而對(duì)頂板不不利利。6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載6.2.1.2 6.2.1.2 溫度場(chǎng)與溫度荷載分析溫度場(chǎng)與溫度荷載分析混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部的溫度場(chǎng)溫度場(chǎng)是確定是確定溫度荷載溫度荷載的的關(guān)鍵關(guān)鍵。分析溫度場(chǎng)分析溫度場(chǎng)的的方法方法一般有三種：一是用一般有三種：一是用熱傳導(dǎo)微分熱傳導(dǎo)微分方程方程求解；二是采用求

12、解；二是采用近似數(shù)值解近似數(shù)值解；三是運(yùn)用；三是運(yùn)用半理論半理論半經(jīng)驗(yàn)公式半經(jīng)驗(yàn)公式。6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載6.2.1.2 6.2.1.2 溫度場(chǎng)與溫度荷載分析溫度場(chǎng)與溫度荷載分析1 1、混凝土熱傳導(dǎo)微分方程及邊界條件、混凝土熱傳導(dǎo)微分方程及邊界條件混凝土構(gòu)件內(nèi)部和表面的混凝土構(gòu)件內(nèi)部和表面的某一點(diǎn)某一點(diǎn)，在某一，在某一瞬間瞬間的的溫度溫度可用下式表示：可用下式表示：溫度不僅與溫度不僅與坐標(biāo)坐標(biāo) x x、y y、z z 有關(guān)，而且與有關(guān)，而且與時(shí)間時(shí)間t t 有關(guān)。有關(guān)。),(tzyxfT 6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載根據(jù)熱

13、傳導(dǎo)理論，對(duì)于根據(jù)熱傳導(dǎo)理論，對(duì)于均質(zhì)、各向同性均質(zhì)、各向同性的混凝土，按的混凝土，按彈性力學(xué)的推導(dǎo)可得下列彈性力學(xué)的推導(dǎo)可得下列三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程三維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱方程： 式中式中 混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)；混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)； 混凝土的比熱；混凝土的比熱； 混凝土的容重；混凝土的容重； 混凝土單位體積內(nèi)放出的熱量?；炷羻挝惑w積內(nèi)放出的熱量。qtTczTyTxT222222 cq6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載當(dāng)當(dāng)不研究不研究大體積混凝土構(gòu)件澆筑階段內(nèi)部存在大體積混凝土構(gòu)件澆筑階段內(nèi)部存在水化熱水化熱時(shí)，時(shí)，熱源熱源 q q 可取可取 0 0。在熱傳導(dǎo)在熱傳導(dǎo)初始初始，溫度場(chǎng)

14、溫度場(chǎng)為為已知已知函數(shù)，即當(dāng)函數(shù)，即當(dāng)t t =0 =0 時(shí)時(shí) 在相當(dāng)多的情況下，在相當(dāng)多的情況下，初始溫度分布初始溫度分布可認(rèn)為是可認(rèn)為是常數(shù)常數(shù)，即，即 常數(shù)常數(shù) ),()0,(0zyxTzyxT 0)0,(TzyxT 6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載在混凝土與基巖及新老混凝土之間的在混凝土與基巖及新老混凝土之間的接觸面上接觸面上，初始溫初始溫度度往往是往往是不連續(xù)不連續(xù)的。的。一般情況下，方程常用的一般情況下，方程常用的邊界條件邊界條件由以下由以下三種方式給出三種方式給出: :（1 1）第一類(lèi)邊界條件第一類(lèi)邊界條件 混凝土表面混凝土表面溫度是時(shí)間的已知函數(shù)溫度

15、是時(shí)間的已知函數(shù)，即，即 混凝土與水接觸時(shí)，表面溫度等于已知的水溫，屬于這混凝土與水接觸時(shí)，表面溫度等于已知的水溫，屬于這種邊界條件。種邊界條件。)()(tftT 6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載（2 2）第二類(lèi)邊界條件第二類(lèi)邊界條件 混凝土表面的混凝土表面的熱流量是時(shí)間的已知函數(shù)熱流量是時(shí)間的已知函數(shù)，即，即 式中式中 n n 為表面外法線(xiàn)方向?yàn)楸砻嫱夥ň€(xiàn)方向。若表面是絕熱的，則有。若表面是絕熱的，則有 )( tfnT 0nT 6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載（3 3）第三類(lèi)邊界條件第三類(lèi)邊界條件 當(dāng)混凝土與空氣接觸時(shí)，當(dāng)混凝土與空氣接

16、觸時(shí)，假定熱流量、表面溫度假定熱流量、表面溫度T T、氣溫氣溫 T Ta a 及日輻射關(guān)系及日輻射關(guān)系為：為： 式中式中 表面總放熱系數(shù)，考慮對(duì)流與輻射的綜合熱交換；表面總放熱系數(shù)，考慮對(duì)流與輻射的綜合熱交換； T Ta a蔽陽(yáng)處氣溫；蔽陽(yáng)處氣溫； 結(jié)構(gòu)表面日輻射熱量吸收系數(shù)；結(jié)構(gòu)表面日輻射熱量吸收系數(shù)； S S為日輻射強(qiáng)度。為日輻射強(qiáng)度。STTnTsa)( s 6.2.1 6.2.1 溫度分布與溫度荷載溫度分布與溫度荷載w 當(dāng)橋梁位于蔭蔽處，公式中當(dāng)橋梁位于蔭蔽處，公式中 應(yīng)取為應(yīng)取為對(duì)流放熱系數(shù)對(duì)流放熱系數(shù)， T Ta a為蔭蔽處氣溫，為蔭蔽處氣溫，S=0S=0；當(dāng)研究箱梁內(nèi)表面時(shí)，則應(yīng)；當(dāng)研究箱梁內(nèi)表面時(shí)，則應(yīng)取內(nèi)部取內(nèi)部綜合放熱系數(shù)綜合放熱系數(shù)，為內(nèi)部空間氣溫，為內(nèi)部空間氣溫，S=0S=0。w 雖然雖然第三類(lèi)邊界條件第三類(lèi)邊界條件比比較符合較符合混凝土結(jié)構(gòu)在混凝土結(jié)構(gòu)在自然環(huán)境自然環(huán)境中的中的熱交換狀況熱交換狀況，但工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，按第三類(lèi)邊，但工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)表明，按第三類(lèi)邊界條件求解，往往要界條件求解，往往要選取合適的放熱系數(shù)選取合適的放熱系數(shù)，才能得到，才能得到較滿(mǎn)意的計(jì)算結(jié)果。較滿(mǎn)意的計(jì)算結(jié)果。 6.2.