混凝土溫度效應理論

1、6.26.2混凝土的溫度效應理論混凝土的溫度效應理論2020世紀年世紀年5050代初期代初期，德國學者從混凝土橋墩裂縫的現場，德國學者從混凝土橋墩裂縫的現場調查分析中，調查分析中，認識認識到到溫度應力溫度應力對混凝土結構的對混凝土結構的重要性重要性。我國我國鐵道部大橋局曾在鐵道部大橋局曾在2020世紀世紀5050年代末年代末對實體混凝土橋對實體混凝土橋墩的墩的溫差應力溫差應力作了作了調研工作調研工作。在溫度應力研究的在溫度應力研究的起步階段起步階段，國內外都以，國內外都以年溫變化年溫變化產生的產生的均勻溫度分布為依據均勻溫度分布為依據。6.26.2混凝土的溫度效應理論混凝土的溫度效應理論隨著試

2、驗及理論研究的進展，開始認識到隨著試驗及理論研究的進展，開始認識到溫度分布的非線溫度分布的非線性性問題。問題。直到直到2020世紀世紀6060年代初年代初，英國，英國D.A.StephensonD.A.Stephenson的研究成的研究成果，才使對溫度應力的果，才使對溫度應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，進入進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混凝土的溫度效應理論混凝土的溫度效應理論從從2020世紀世紀6060年代以來，國內外都發(fā)現由于年代以來，國內外都發(fā)現由于溫度應力溫度應力而而導致導致混凝土混凝土橋梁嚴重裂損橋梁嚴重裂損的事故。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到達到27332733；n預應力混凝土預應力混凝土箱型橋梁箱型橋梁大都因大都因溫差應力溫差應力而而損害損害；6.26.2混凝土的溫度效應理論混凝土的溫度效應理論n在不考慮溫差應力的設計中，在不考慮溫差應力的設計中，輕信輕信在計算在計算荷載下荷載下結結構構無拉應力就不會出現拉應力是錯誤的無拉應力就不會出現拉應力是錯誤的。隨著隨著空心高橋墩空心高橋墩、大跨度預應力混凝土、大跨度預應力混凝土箱梁箱梁橋等一些橋等一些混凝土結構的發(fā)展，混

4、凝土結構的發(fā)展，溫度應力溫度應力對混凝土結構的對混凝土結構的影響影響和和危害危害，已越來越，已越來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溫度分布與溫度荷載的特點混凝土橋梁竣工后，某一時刻混凝土橋梁竣工后，某一時刻結構內部與表面各點結構內部與表面各點的的溫度狀態(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熱系數導熱系數較較小小，在，在外表溫度急變外表溫度急變的情的情況下，況下，內部溫度變化內部溫度變化存在存在明顯明顯的的滯后滯后現象，導致現象，導致每每層層混凝土所混

5、凝土所得到或擴散得到或擴散的的熱量熱量有較大的有較大的差異差異，形成，形成非線性分布非線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，如太陽輻射、夜間降溫、寒流、風、雨、雪，如太陽輻射、夜間降溫、寒流、風、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部因素內部因素，則主要由，則主要由混凝土混凝土的的熱物理性質熱物理性質、構件形狀等構件形狀等決定。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熱系數導熱系數和和比熱等比熱等熱工熱工參數參數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熱工參數對熱工參數影響較小影響較小。骨料骨料對混凝土對混凝土導熱系數導熱系數的的影響較大影響較大，一般骨料的導熱，一般骨料的導熱系數約為系數約為1.863.49 (1.863.49 (約為黑金屬的約為黑金屬的1/271/27），），而輕骨料的導熱系數約為而輕骨料的導熱系數約為1.16 1.16 。骨料骨料對混凝土對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混凝土的內混凝土的線膨脹系數線膨脹系數一般是一般是不變不變的，的，輕輕質骨料質骨料混凝土的混凝土的數值較小數值較小。在在一般工程計算一般工程計算中，普通骨料的混凝土、鋼筋混凝土中，普通骨料的混凝土、鋼筋混凝土和預應力混凝土，和預應力混凝土，線膨脹系數線膨脹系數可采用可采用 。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、溫度荷載的特點 混凝土橋梁混凝土橋梁構件的構件的溫度隨時在變化溫度隨時在變化。就。就自然環(huán)境自然環(huán)境條條件變化所件變化所產生產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型三種類型。各各種種溫溫度度荷荷載載特特點點匯匯總總表表 特點溫度荷載主要影響因素時間性作用范圍分布狀態(tài)對結構影響復雜性日照溫度太陽輻射短時急變局部性不均勻局部應力大最復雜驟然降溫強冷空氣短時變化整體較均勻應力較大較復雜年溫變化緩慢溫變長期緩慢整體均勻整體位移大簡單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、溫度荷載的特點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是太陽輻射強度輻射強度、氣溫變化氣溫變化和和風速風速，而從，而從設計控制設計控制溫度荷載來溫度荷載來考慮考慮，可簡化為，可簡化為太太陽輻射陽輻射與與氣溫變化氣溫變化這兩個因素。這兩個因素。驟然降溫驟然降溫一般只要考慮兩個一般只要考慮兩個因素因素，即，即氣溫變化氣溫變化和和風速風速，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、作用時間長時間長。年溫變化年溫變化比較簡單，在工程設計中已考慮。比較簡單，在工程設計中已考慮。

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、橋梁構件溫度分布的特點、橋梁構件溫度分布的特點橋梁橋梁構件構件的的構造明顯影響溫度分布構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隨時間而間而變變。混凝土混凝土塔柱塔柱、墩柱墩柱結構的垂直表面的結構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、太陽方位角太陽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、橋梁構件溫度分布的特點、橋梁構件溫度分布的特點鋼筋

11、鋼筋對構件溫度分布的對構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，當其層，當其較厚時較厚時對頂板有對頂板有明顯的明顯的減溫減溫作用，但作用，但較薄時較薄時因其因其吸熱吸熱作用而對頂板作用而對頂板不不利利。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 溫度場與溫度荷載分析溫度場與溫度荷載分析混凝土結構內部的混凝土結構內部的溫度場溫度場是確定是確定溫度荷載溫度荷載的的關鍵關鍵。分析溫度場分析溫度場的的方法方法一般有三種：一是用一般有三種：一是用熱傳導微分熱傳導微分方程方程求解；二是采用求

12、解；二是采用近似數值解近似數值解；三是運用；三是運用半理論半理論半經驗公式半經驗公式。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 溫度場與溫度荷載分析溫度場與溫度荷載分析1 1、混凝土熱傳導微分方程及邊界條件、混凝土熱傳導微分方程及邊界條件混凝土構件內部和表面的混凝土構件內部和表面的某一點某一點，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坐標 x x、y y、z z 有關，而且與有關，而且與時間時間t t 有關。有關。),(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熱

13、傳導理論，對于根據熱傳導理論，對于均質、各向同性均質、各向同性的混凝土，按的混凝土，按彈性力學的推導可得下列彈性力學的推導可得下列三維非穩(wěn)態(tài)導熱方程三維非穩(wěn)態(tài)導熱方程： 式中式中 混凝土的導熱系數；混凝土的導熱系數； 混凝土的比熱；混凝土的比熱； 混凝土的容重；混凝土的容重； 混凝土單位體積內放出的熱量。混凝土單位體積內放出的熱量。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當不研究不研究大體積混凝土構件澆筑階段內部存在大體積混凝土構件澆筑階段內部存在水化熱水化熱時，時，熱源熱源 q q 可取可取 0 0。在熱傳導在熱傳導初始初始，溫度場

14、溫度場為為已知已知函數，即當函數，即當t t =0 =0 時時 在相當多的情況下，在相當多的情況下，初始溫度分布初始溫度分布可認為是可認為是常數常數，即，即 常數常數 ),()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）第一類邊界條件第一類邊界條件 混凝土表面混凝土表面溫度是時間的已知函數溫度

15、是時間的已知函數，即，即 混凝土與水接觸時，表面溫度等于已知的水溫，屬于這混凝土與水接觸時，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）第二類邊界條件第二類邊界條件 混凝土表面的混凝土表面的熱流量是時間的已知函數熱流量是時間的已知函數，即，即 式中式中 n n 為表面外法線方向為表面外法線方向。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）第三類邊界條件第三類邊界條件 當混凝土與空氣接觸時，當混凝土與空氣接

16、觸時，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 及日輻射關系及日輻射關系為：為： 式中式中 表面總放熱系數，考慮對流與輻射的綜合熱交換；表面總放熱系數，考慮對流與輻射的綜合熱交換； T Ta a蔽陽處氣溫；蔽陽處氣溫； 結構表面日輻射熱量吸收系數；結構表面日輻射熱量吸收系數； S S為日輻射強度。為日輻射強度。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 當橋梁位于蔭蔽處，公式中當橋梁位于蔭蔽處，公式中 應取為應取為對流放熱系數對流放熱系數， T Ta a為蔭蔽處氣溫，為蔭蔽處氣溫，S=0S=0；當研究箱梁內表面時，則應；當研究箱梁內表面時，則應取內部取內部綜合放熱系數綜合放熱系數，為內部空間氣溫，為內部空間氣溫，S=0S=0。w 雖然雖然第三類邊界條件第三類邊界條件比比較符合較符合混凝土結構在混凝土結構在自然環(huán)境自然環(huán)境中的中的熱交換狀況熱交換狀況，但工程實踐經驗表明，按第三類邊，但工程實踐經驗表明，按第三類邊界條件求解，往往要界條件求解，往往要選取合適的放熱系數選取合適的放熱系數，才能得到，才能得到較滿意的計算結果。較滿意的計算結果。 6.2.