本文關鍵詞：橋梁箱體濕熱耦合作用下非結構性裂縫成因分析及處理方法

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【摘要】：混凝土箱梁優(yōu)點突出,應用廣泛,卻常有梁體開裂現(xiàn)象出現(xiàn)。經調研發(fā)現(xiàn)由荷載引起的裂縫僅占少數(shù),占裂縫總數(shù)80%以上是非結構性裂縫。箱梁非結構性開裂的眾多誘因中,梁體濕熱變形受到約束所引起的濕熱應力是主要因素。由于目前還沒有一款商用軟件可以對混凝土內部的水分散失過程進行模擬,因此對于結構失水收縮量的計算還停留在用經驗公式估算階段,并且只能算出整體結構的收縮量,無法計算收縮應力在結構的具體分布。已有研究發(fā)現(xiàn)等溫環(huán)境下混凝土內部濕度場滿足Fick第二定律,但實際工程中的橋梁結構處于環(huán)境溫度不斷變化的情況,溫度的高低對水分的散失有很大影響,在對混凝土內部濕度場進行模擬時必須考慮溫度場的耦合效應。因此有必要對混凝土箱梁內部濕熱耦合場進行研究,從結構溫、濕度的不均勻變化出發(fā),對混凝土箱梁的濕熱應力進行計算,進而實現(xiàn)對箱型梁體非結構性開裂原因的量化分析,有很大的實用價值和科學意義。本文以混凝土箱梁結構表面干縮裂紋形成原因作為主要研究對象,根據(jù)現(xiàn)有理論建立了一維混凝土內部線性、非線性濕度場數(shù)學模型,開展了混凝土結構內部溫度分布對混凝土干燥過程影響分析。分析表明溫度對混凝土濕度擴散系數(shù)的影響是劇烈的,當混凝土內部溫度超過20℃以后,會使得混凝土濕擴散系數(shù)成倍增大,因此溫度的升高會加劇混凝土內部水分向外傳遞。總結了混凝土內部水分散失機理,通過在濕度擴散系數(shù)上加入溫度影響函數(shù)的方式建立了濕熱耦合場數(shù)學模型。推導了顯式、隱式兩種差分格式對混凝土內部濕度場及濕熱耦合場控制方程的計算過程。并基于有限差分理論,在MATLAB程序開發(fā)平臺上編寫了濕度場及耦合場計算程序,通過與經典實驗及商用有限元軟件計算結果的對比分析,驗證了自編程序的計算能力。同時,于在建橋梁上,開展了混凝土箱梁結構內部濕度、溫度數(shù)據(jù)的采集實驗。測試在了環(huán)境溫、濕度作用下,新澆混凝土不同凝期的濕、熱變化。采用本文分析方法的計算結果與實測數(shù)據(jù)基本吻合,進一步證明經一維簡化后的濕熱耦合控制方程,能夠描述如箱梁這種薄壁結構內溫度分布對混凝土干燥過程的影響。借助已有理論,實現(xiàn)了混凝土溫、濕度向應力的轉化,通過編寫的計算程序,分析了處于不斷變化的環(huán)境溫、濕度下,箱梁腹板混凝土表面干縮應力的發(fā)展過程。數(shù)據(jù)顯示,考慮溫度影響后,距表面深度1cm范圍內的混凝土濕應力,在澆筑后的前15天均處于超出相應凝期混凝土抗拉強度的狀態(tài),極容易在結構表面產生干縮開裂。
【關鍵詞】：混凝土箱梁 非線性差分法 濕度場 濕熱耦合 表面干縮裂紋
【學位授予單位】：重慶交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：U441;U445.71
【目錄】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 緒論10-21
• 1.1 混凝土箱梁結構特點及典型問題10-12
• 1.1.1 箱型截面優(yōu)點10
• 1.1.2 混凝土溫度變化引起開裂10-11
• 1.1.3 混凝土濕度變化引起開裂11-12
• 1.2 國內外研究現(xiàn)狀12-18
• 1.2.0 混凝土溫度場及溫度應力研究現(xiàn)狀12-15
• 1.2.1 混凝土濕度場及濕熱耦合機理研究現(xiàn)狀15-17
• 1.2.2 混凝土濕熱耦合現(xiàn)象模擬及計算研究現(xiàn)狀17-18
• 1.3 本文研究意義及關鍵問題18-21
• 1.3.1 研究目標及研究意義18
• 1.3.2 研究過程中的關鍵問題18-21
• 第二章 混凝土濕、熱傳導機理及數(shù)學模型21-32
• 2.1 混凝土材料導熱機理及數(shù)學模型21-22
• 2.2 混凝土材料等溫干燥機理及數(shù)學模型22-26
• 2.2.1 混凝土材料濕度場控制方程23-24
• 2.2.2 混凝土材料非線性濕度場24-25
• 2.2.3 混凝土材料線性濕度場25-26
• 2.3 混凝土材料濕熱耦合機理及數(shù)學模型26-28
• 2.3.1 混凝土材料濕熱耦合機理26-27
• 2.3.2 混凝土材料濕熱耦合數(shù)學模型27-28
• 2.4 混凝土材料濕、熱傳輸定解條件28-31
• 2.4.1 初始條件28-29
• 2.4.2 邊界條件29-30
• 2.4.3 濕、熱交換系數(shù)的確定方法30-31
• 2.5 本章小結31-32
• 第三章 基于有限差分法的混凝土內部濕度場計算理論32-43
• 3.1 有限差分法32-35
• 3.1.1 差分概念與差分形式32-33
• 3.1.2 瞬態(tài)問題的兩種差分格式33-35
• 3.2 線性濕度場差分計算理論35-39
• 3.2.1 顯式差分格式線性濕度場計算方法36-38
• 3.2.2 隱式差分格式線性濕度場計算方法38-39
• 3.3 非線性濕度場差分計算理論39-42
• 3.3.1 顯式差分格式非線性濕度場計算方法40-41
• 3.3.2 隱式差分格式非線性濕度場計算方法41-42
• 3.4 本章小結42-43
• 第四章 混凝土濕度場計算程序編寫及驗證分析43-62
• 4.1 混凝土濕度場計算程序43-49
• 4.1.1 混凝土自干燥速率計算程序43-44
• 4.1.2 顯式差分法計算程序44-45
• 4.1.3 隱式差分法計算程序45-49
• 4.2 ADINA軟件模擬等溫條件下的濕度場49-51
• 4.2.1 ADINA軟件介紹49
• 4.2.2 ADINA-Thermal模塊模擬混凝土內部等溫干燥49-51
• 4.3 線性濕度場算例分析及實驗驗證51-56
• 4.3.1 混凝土等溫干燥實驗51-52
• 4.3.2 計算模擬52-53
• 4.3.3 線性問題數(shù)學實驗及對比分析53-56
• 4.4 非線性濕度場算例分析56-61
• 4.4.1 計算模擬56-58
• 4.4.2 非線性問題數(shù)學實驗及對比分析58-61
• 4.5 本章小結61-62
• 第五章 箱梁濕熱耦合計算及橋梁溫濕度測試實驗62-73
• 5.1 濕熱耦合計算程序62-64
• 5.2 施工現(xiàn)場溫、濕度實測實驗64-70
• 5.2.1 實驗目的和意義64
• 5.2.2 混凝土溫度、濕度測試儀器64-66
• 5.2.3 實際橋梁測溫、濕度測試方案66-68
• 5.2.4 實驗成果68-69
• 5.2.5 濕熱耦合模擬計算69-70
• 5.3 數(shù)據(jù)對比分析70-72
• 5.4 本章小結72-73
• 第六章 濕熱耦合應力計算73-91
• 6.1 混凝土濕、熱應力計算理論73-74
• 6.2 濕度場-溫度場-結構場耦合算例74-87
• 6.2.1 濕熱耦合計算分析75-80
• 6.2.2 濕熱耦合下應力計算及結果分析80-87
• 6.3 針對混凝土箱梁濕熱耦合引起開裂問題的處理方法87-89
• 6.3.1 避免溫度裂縫的方法87-88
• 6.3.2 避免濕度裂縫的方法88-89
• 6.4 本章小結89-91
• 第七章 結論與展望91-94
• 7.1 本文主要工作和結論91-92
• 7.2 后續(xù)研究展望92-94
• 致謝94-95
• 參考文獻95-98
• 附錄98-113
• 攻讀學位期間取得的研究成果113
• 一、攻讀學位期間發(fā)表的論文113
• 二、攻讀學位期間參與的科研項目及取得的成果113

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本文編號：789385