桥梁箱体湿热耦合作用下非结构性裂缝成因分析及处理方法

发布时间：2017-09-04 04:33

  本文关键词：桥梁箱体湿热耦合作用下非结构性裂缝成因分析及处理方法

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【摘要】：混凝土箱梁优点突出,应用广泛,却常有梁体开裂现象出现。经调研发现由荷载引起的裂缝仅占少数,占裂缝总数80%以上是非结构性裂缝。箱梁非结构性开裂的众多诱因中,梁体湿热变形受到约束所引起的湿热应力是主要因素。由于目前还没有一款商用软件可以对混凝土内部的水分散失过程进行模拟,因此对于结构失水收缩量的计算还停留在用经验公式估算阶段,并且只能算出整体结构的收缩量,无法计算收缩应力在结构的具体分布。已有研究发现等温环境下混凝土内部湿度场满足Fick第二定律,但实际工程中的桥梁结构处于环境温度不断变化的情况,温度的高低对水分的散失有很大影响,在对混凝土内部湿度场进行模拟时必须考虑温度场的耦合效应。因此有必要对混凝土箱梁内部湿热耦合场进行研究,从结构温、湿度的不均匀变化出发,对混凝土箱梁的湿热应力进行计算,进而实现对箱型梁体非结构性开裂原因的量化分析,有很大的实用价值和科学意义。本文以混凝土箱梁结构表面干缩裂纹形成原因作为主要研究对象,根据现有理论建立了一维混凝土内部线性、非线性湿度场数学模型,开展了混凝土结构内部温度分布对混凝土干燥过程影响分析。分析表明温度对混凝土湿度扩散系数的影响是剧烈的,当混凝土内部温度超过20℃以后,会使得混凝土湿扩散系数成倍增大,因此温度的升高会加剧混凝土内部水分向外传递。总结了混凝土内部水分散失机理,通过在湿度扩散系数上加入温度影响函数的方式建立了湿热耦合场数学模型。推导了显式、隐式两种差分格式对混凝土内部湿度场及湿热耦合场控制方程的计算过程。并基于有限差分理论,在MATLAB程序开发平台上编写了湿度场及耦合场计算程序,通过与经典实验及商用有限元软件计算结果的对比分析,验证了自编程序的计算能力。同时,于在建桥梁上,开展了混凝土箱梁结构内部湿度、温度数据的采集实验。测试在了环境温、湿度作用下,新浇混凝土不同凝期的湿、热变化。采用本文分析方法的计算结果与实测数据基本吻合,进一步证明经一维简化后的湿热耦合控制方程,能够描述如箱梁这种薄壁结构内温度分布对混凝土干燥过程的影响。借助已有理论,实现了混凝土温、湿度向应力的转化,通过编写的计算程序,分析了处于不断变化的环境温、湿度下,箱梁腹板混凝土表面干缩应力的发展过程。数据显示,考虑温度影响后,距表面深度1cm范围内的混凝土湿应力,在浇筑后的前15天均处于超出相应凝期混凝土抗拉强度的状态,极容易在结构表面产生干缩开裂。
【关键词】：混凝土箱梁 非线性差分法 湿度场 湿热耦合 表面干缩裂纹
【学位授予单位】：重庆交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：U441;U445.71
【目录】：

• 摘要4-5
• ABSTRACT5-10
• 第一章 绪论10-21
• 1.1 混凝土箱梁结构特点及典型问题10-12
• 1.1.1 箱型截面优点10
• 1.1.2 混凝土温度变化引起开裂10-11
• 1.1.3 混凝土湿度变化引起开裂11-12
• 1.2 国内外研究现状12-18
• 1.2.0 混凝土温度场及温度应力研究现状12-15
• 1.2.1 混凝土湿度场及湿热耦合机理研究现状15-17
• 1.2.2 混凝土湿热耦合现象模拟及计算研究现状17-18
• 1.3 本文研究意义及关键问题18-21
• 1.3.1 研究目标及研究意义18
• 1.3.2 研究过程中的关键问题18-21
• 第二章 混凝土湿、热传导机理及数学模型21-32
• 2.1 混凝土材料导热机理及数学模型21-22
• 2.2 混凝土材料等温干燥机理及数学模型22-26
• 2.2.1 混凝土材料湿度场控制方程23-24
• 2.2.2 混凝土材料非线性湿度场24-25
• 2.2.3 混凝土材料线性湿度场25-26
• 2.3 混凝土材料湿热耦合机理及数学模型26-28
• 2.3.1 混凝土材料湿热耦合机理26-27
• 2.3.2 混凝土材料湿热耦合数学模型27-28
• 2.4 混凝土材料湿、热传输定解条件28-31
• 2.4.1 初始条件28-29
• 2.4.2 边界条件29-30
• 2.4.3 湿、热交换系数的确定方法30-31
• 2.5 本章小结31-32
• 第三章 基于有限差分法的混凝土内部湿度场计算理论32-43
• 3.1 有限差分法32-35
• 3.1.1 差分概念与差分形式32-33
• 3.1.2 瞬态问题的两种差分格式33-35
• 3.2 线性湿度场差分计算理论35-39
• 3.2.1 显式差分格式线性湿度场计算方法36-38
• 3.2.2 隐式差分格式线性湿度场计算方法38-39
• 3.3 非线性湿度场差分计算理论39-42
• 3.3.1 显式差分格式非线性湿度场计算方法40-41
• 3.3.2 隐式差分格式非线性湿度场计算方法41-42
• 3.4 本章小结42-43
• 第四章 混凝土湿度场计算程序编写及验证分析43-62
• 4.1 混凝土湿度场计算程序43-49
• 4.1.1 混凝土自干燥速率计算程序43-44
• 4.1.2 显式差分法计算程序44-45
• 4.1.3 隐式差分法计算程序45-49
• 4.2 ADINA软件模拟等温条件下的湿度场49-51
• 4.2.1 ADINA软件介绍49
• 4.2.2 ADINA-Thermal模块模拟混凝土内部等温干燥49-51
• 4.3 线性湿度场算例分析及实验验证51-56
• 4.3.1 混凝土等温干燥实验51-52
• 4.3.2 计算模拟52-53
• 4.3.3 线性问题数学实验及对比分析53-56
• 4.4 非线性湿度场算例分析56-61
• 4.4.1 计算模拟56-58
• 4.4.2 非线性问题数学实验及对比分析58-61
• 4.5 本章小结61-62
• 第五章 箱梁湿热耦合计算及桥梁温湿度测试实验62-73
• 5.1 湿热耦合计算程序62-64
• 5.2 施工现场温、湿度实测实验64-70
• 5.2.1 实验目的和意义64
• 5.2.2 混凝土温度、湿度测试仪器64-66
• 5.2.3 实际桥梁测温、湿度测试方案66-68
• 5.2.4 实验成果68-69
• 5.2.5 湿热耦合模拟计算69-70
• 5.3 数据对比分析70-72
• 5.4 本章小结72-73
• 第六章 湿热耦合应力计算73-91
• 6.1 混凝土湿、热应力计算理论73-74
• 6.2 湿度场-温度场-结构场耦合算例74-87
• 6.2.1 湿热耦合计算分析75-80
• 6.2.2 湿热耦合下应力计算及结果分析80-87
• 6.3 针对混凝土箱梁湿热耦合引起开裂问题的处理方法87-89
• 6.3.1 避免温度裂缝的方法87-88
• 6.3.2 避免湿度裂缝的方法88-89
• 6.4 本章小结89-91
• 第七章 结论与展望91-94
• 7.1 本文主要工作和结论91-92
• 7.2 后续研究展望92-94
• 致谢94-95
• 参考文献95-98
• 附录98-113
• 攻读学位期间取得的研究成果113
• 一、攻读学位期间发表的论文113
• 二、攻读学位期间参与的科研项目及取得的成果113

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本文编号：789385