钢筋混凝土结构的温度应力影响(汪杰)

有限元程序及其应用..ISHANGHAIUNIVERSITY有限元程序及其应用课程论文UNDERGRADUATEPROJECT(THESIS)题目:超长桩的发展现状及其有限元分析学院土木工程系专业结构工程学号14722809学生姓名汪杰指导教师胡宝琳日期2014年12月19日有限元程序及其应用..II上海大学2014～2015学年冬季学期研究生课程考试小论文课程名称：有限元程序及其应用课程编号:论文题目:超长桩的发展现状及其有限元分析研究生姓名:汪杰学号:14722809论文评语：成绩:任课教师:胡宝琳评阅日期:有限元程序及其应用..III目录一、钢筋混凝土结构温度应力的研究背景和工程现状......................51)什么是钢筋混凝土结构温度应力..........................................52)有关设计规范对此类问题的处理方法.......................................63)该类问题存在的问题.....................................................6二、国内外有关本问题的研究现状.....................................81)国内的研究现状.........................................................82)国外的研究现状.........................................................9三、该问题研究存在的问题和难点....................................101)计算的理论依据的缺失...................................................102)材料的研究无法达到要求.................................................103)交叉学科的应用.........................................................10四、研究的创新点和成果............................................111)理论方面的突破.........................................................112)设计规范方面的修订.....................................................113)社会意义...............................................................114)经济效益...............................................................12五、研究的结论和建议..............................................131)研究的成果.............................................................132)研究的创新成果.........................................................133)研究的成果的运用.......................................................14六、对本课程讲授的建议.............................................151)建议....................................................................152)需改进的地方............................................................15参考文献............................................................16有限元程序及其应用..4超长桩的发展现状及其有限元分析作者学号指导老师胡宝琳上海大学土木工程系上海200072摘要：钢筋混凝土结构是现代建筑中主要采取的结构形式，但是对混凝土结构进行设计和施工时温度场及温度应力始终是一个难点，而对钢筋混凝土结构的研究通常忽略了钢筋的作用，所得结果不够精确。本文在查阅了大量文献的基础上，对我国目前钢筋混凝土结构温度应力及其有限元应用的研究现状进行了简要介绍，同时提出了有待进一步研究的问题。关键词：钢筋混凝土结构；温度应力；有限元TemperaturestressandfiniteelementanalysisofreinforcedconcretestructuresWangjieShanghaiUniversity,DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiAbstract:Structureofreinforcedconcretestructuresismainlytakentheformofmodernarchitecture,butforthedesignandconstructionofconcretestructurestemperaturefieldandthermalstressisalwaysadifficulty,butthestudyofreinforcedconcretestructuresoftenneglecttheroleofreinforcement,theresultisnotpreciseenough.Basedonthereviewoftheextensiveliterature,thestudyofthecurrentstatusforthetemperaturestressofreinforcedconcretestructureandfiniteelementapplicationsarebrieflyintroduced,andproposedafurtherstudyoftheproblem.Keywords:reinforcedconcretestructural;temperaturestress;finiteelement有限元程序及其应用..5一、钢筋混凝土结构的温度应力的研究背景和工程现状1）什么是钢筋混凝土结构的温度应力钢筋混凝土结构的温度应力一般有两种形式：一种是指施工过程中的温度应力，即混凝土浇筑后，由于水化热的作用，内部温度升高。由于混凝土为不良导热体，因此其硬化过程中发生的热量绝大部分不能消散，被蕴藏于混凝土内部，从而导致混凝土温度升高，体积膨胀，这时候会产生温度应力。第二种是指使用过程中的温度应力，对于自然环境中的混凝土结构，经受各种自然环境的影响，其表面与内部各点的温度随时随刻都在发生变化。它不仅与所处地理位置、结构物的方位以及所处季节、太阳辐射强度、气温变化、云、雾、雨等天气状况有关，并且结构物的内外表面还不断以辐射、对流和传导等方式与周围空气介质进行热交换。就混凝土结构来说，由于自然环境变化所产生的温度荷载，一般可分为三种类型：一、日照温差荷载；二、骤然降温温度荷载；三、年温度荷载。日照温度变化主要是太阳辐射作用而致，其次是气温变化影响，还有风速的影响。降温温度变化主要是强冷空气的侵袭作用和日落后在夜间形成的内高外低的温度变化。年温变化则是极缓慢的气温变化所致[1]。人们所说的温度应力严格来讲是结构因温度变化而引起的应力，也有人称之为温差应力，本文按大多数人的习惯仍称温度应力。温度应力引起的原因可以分为两种：一、自平衡温度应力（内约束应力）；二、外约束温度应力。自平衡温度应力是构件内各纤维间的相互约束而产生的，它与结构的边界条件无关，即超静定与静定结构当内部温度为非线性时，产生的温度应力为自平衡温度应力。外约束温度应力是当结构由于温度而引起的变形，受到边界约束的影响而产生的应力，因此外约束温度应力只存在于超静定结构中。温度应力与一般荷载应力最大的区别：一般的应力与应变在弹性范围内满足虎克定律，应变是因为有应力才产生；温度应力与应变不再符合简单的虎克定律，它是由于变形受到约束而产生的，因此温度应力与变形后保留的应变和温度的自由应变之差成正比。近几十年来，国内外的混凝土工程结构的实践证明，短时急剧变化的太阳辐射引起结构物的温度变化，可以产生相当大的温差应力，甚至是混凝土结构发生严重开裂。有限元程序及其应用..62）有关设计规范对此类问题的处理方法我国《混凝土结构设计规范》(GB50010-2010)[2]规定了钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距，并指出“当增大伸缩缝间距时，尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响”，“必要时应对温差问题进行专门的结构分析”，但都对如何分析没有给出进一步的说明。3）该类问题存在的问题钢筋混凝土结构是现代建筑中主要采取的结构形式，但是对混凝土结构施工和使用时温度场及温度应力的研究始终是一个难点，各国结构设计规范大多仅给出构造措施加以防范，难以很好的揭示和解决越来越多的大型实际工程遇到的问题。尽管钢筋混凝土温度应力的理论研究和数值计算比较成熟，取得了不少成果，但仍有不足。首先在对钢筋混凝土结构的研究当中通常采用的方法有：（1）忽略钢筋对整体结构的影响；（2）简单的把钢筋和结构通过节点连接到一起进行研究；（3）根据实际的情况，把方法二中钢筋与混凝土重叠部分，多出的混凝土去掉后，根据真实的情况进行研究。但上述三种方法都是有明显缺点的，第一种方法忽略了钢筋的影响不够准确；第二种方法中混凝土与钢筋部分的体积重合，没有去掉多余的混凝土体积；第三种所述方法在工程中钢筋较多或复杂的空间问题的时候难以建模，不够实用。其次在钢筋混凝土结构的有限元分析方面，主要还存在以下问题[3]：（1）计算精度和计算规模问题：混凝土结构往往尺寸较大，混凝土采取分层或分块浇筑，为了保证必要的计算精度，必须采取比较密集的计算网格。每层混凝土施工的时间不同，浇筑温度不同，材料参数各异。在仿真分析过程中，需模拟大体积混凝土施工期连续浇筑过程，按小时或天来计算，步长往往超过上千。在目前计算机硬件水平下，要达到对大体积混凝土比较精细的模拟仍存在一定困难；（2）混凝土材料参数的准确性问题：混凝土有众多的热力学参数，包括混凝土的绝热温升、导温导热系数、表面放热系数、弹性模量、抗压和抗拉强度、极限拉伸值、徐变度和自生体积变形等等，且很多参数与混凝土的龄期和温度密切相关。而获得这有限元程序及其应用..7些参数主要依靠工程类比和室内试验，但实际中参数的获取较难。参数的正确性直接影响计算结果的正确性；（3）施工参数和环境参数的准确性问题：钢筋混凝土温度应力仿真计算依赖环境参数和施工参数。环境参数包括施工期和运行期的气温、水温、地温、日照、风速等；施工参数主要包括混凝土的浇筑温度、浇筑厚度、浇筑时间、间歇养护时间、水管冷却水等。这些参数的描述仍不尽人意，有的还缺乏合适的模型；（4）多场耦合问题：混凝土中的湿度场对温度场的影响，由于混凝土温湿藕合所引起的干缩对温度应力的影响[4]。温度场、渗流场和应力场等因素相互影响的藕合问题。在这方面的理论研究仍需要进一步的分析，以确定相互影响的大小。有限元程序及其应用..8二、国内外有关本问题的研究现状1）国内的研究现状混凝土的温度应力是与时间有关的重要的物理力学性质，历来受到国内外研究者的普遍关注。我国混凝土结构温度应力计算考虑收缩、徐变的影响，始于20世纪50年代，到60年代，提出了数学计算模式。到了20世纪80年代，研究人员在Trost-Bazant理论基础上，提出了中值系数法。近年来，研究人员主要是对徐变和收缩的数学模型及结构分析理