混凝土温度效应理论

§6.2混凝土的温度效应理论20世纪年50代初期，德国学者从混凝土桥墩裂缝的现场调查分析中，认识到温度应力对混凝土结构的重要性。我国铁道部大桥局曾在20世纪50年代末对实体混凝土桥墩的温差应力作了调研工作。在温度应力研究的起步阶段，国内外都以年温变化产生的均匀温度分布为依据。§6.2混凝土的温度效应理论随着试验及理论研究的进展，开始认识到温度分布的非线性问题。直到20世纪60年代初，英国D.A.Stephenson的研究成果，才使对温度应力的研究从考虑一般的气温作用，进入到考虑日照作用的新阶段。§6.2混凝土的温度效应理论从20世纪60年代以来，国内外都发现由于温度应力而导致混凝土桥梁严重裂损的事故。FritzLeonhardt曾提到：在箱型桥梁和肋板桥梁的顶面与下缘之间的温差可达到27~33℃；预应力混凝土箱型桥梁大都因温差应力而损害；§6.2混凝土的温度效应理论在不考虑温差应力的设计中，轻信在计算荷载下结构无拉应力就不会出现拉应力是错误的。随着空心高桥墩、大跨度预应力混凝土箱梁桥等一些混凝土结构的发展，温度应力对混凝土结构的影响和危害，已越来越引起工程界的重视。§6.2.1温度分布与温度荷载6.2.1.1温度分布与温度荷载的特点混凝土桥梁竣工后，某一时刻结构内部与表面各点的温度状态即为温度分布。由于混凝土的导热系数较小，在外表温度急变的情况下，内部温度变化存在明显的滞后现象，导致每层混凝土所得到或扩散的热量有较大的差异，形成非线性分布的温度状态。影响混凝土温度分布的外部因素主要是大气温度变化的作用，如太阳辐射、夜间降温、寒流、风、雨、雪等各种气象的作用。影响混凝土温度分布的内部因素，则主要由混凝土的热物理性质、构件形状等决定。§6.2.1温度分布与温度荷载§6.2.1温度分布与温度荷载1、混凝土的热物理性能混凝土的导热系数和比热等热工参数的主要影响因素是其配合料。龄期与水灰比对热工参数影响较小。骨料对混凝土导热系数的影响较大，一般骨料的导热系数约为1.86~3.49(约为黑金属的1/27），而轻骨料的导热系数约为1.16。骨料对混凝土比热的影响也较明显，普通骨料的比热为800~1200，约为轻骨料比热的1.6倍左右。)/(CmsWo)/(CmsWo)/(CkgJo§6.2.1温度分布与温度荷载1、混凝土的热物理性能在常温范围内混凝土的线膨胀系数一般是不变的，轻质骨料混凝土的数值较小。在一般工程计算中，普通骨料的混凝土、钢筋混凝土和预应力混凝土，线膨胀系数可采用。Co/100.15§6.2.1温度分布与温度荷载2、温度荷载的特点混凝土桥梁构件的温度随时在变化。就自然环境条件变化所产生的温度荷载，一般可分为日照、骤然降温及年温变化温度荷载三种类型。各种温度荷载特点汇总表特点温度荷载主要影响因素时间性作用范围分布状态对结构影响复杂性日照温度太阳辐射短时急变局部性不均匀局部应力大最复杂骤然降温强冷空气短时变化整体较均匀应力较大较复杂年温变化缓慢温变长期缓慢整体均匀整体位移大简单§6.2.1温度分布与温度荷载2、温度荷载的特点日照温度变化的主要因素是太阳辐射强度、气温变化和风速，而从设计控制温度荷载来考虑，可简化为太阳辐射与气温变化这两个因素。骤然降温一般只要考虑两个因素，即气温变化和风速，可以忽略日辐射的影响。骤然降温温度荷载变化较日照温度荷载缓慢、作用时间长。年温变化比较简单，在工程设计中已考虑。§6.2.1温度分布与温度荷载3、桥梁构件温度分布的特点桥梁构件的构造明显影响温度分布。在混凝土箱梁中，沿顶板表面温度分布比较均匀，但沿腹板表面的温度分布则随时间而变。混凝土塔柱、墩柱结构的垂直表面的温度分布，随表面的朝向、太阳方位角的变化而异。§6.2.1温度分布与温度荷载3、桥梁构件温度分布的特点钢筋对构件温度分布的影响较小，可不予考虑。公路桥梁顶板上的沥青路面层，当其较厚时对顶板有明显的减温作用，但较薄时因其吸热作用而对顶板不利。§6.2.1温度分布与温度荷载6.2.1.2温度场与温度荷载分析混凝土结构内部的温度场是确定温度荷载的关键。分析温度场的方法一般有三种：一是用热传导微分方程求解；二是采用近似数值解；三是运用半理论半经验公式。§6.2.1温度分布与温度荷载6.2.1.2温度场与温度荷载分析1、混凝土热传导微分方程及边界条件混凝土构件内部和表面的某一点，在某一瞬间的温度可用下式表示：温度不仅与坐标x、y、z有关，而且与时间t有关。),,,(tzyxfT§6.2.1温度分布与温度荷载根据热传导理论，对于均质、各向同性的混凝土，按弹性力学的推导可得下列三维非稳态导热方程：式中—混凝土的导热系数；—混凝土的比热；—混凝土的容重；—混凝土单位体积内放出的热量。qtTczTyTxT222222cq§6.2.1温度分布与温度荷载当不研究大体积混凝土构件浇筑阶段内部存在水化热时，热源q可取0。在热传导初始，温度场为已知函数，即当t=0时在相当多的情况下，初始温度分布可认为是常数，即常数),,()0,,,(0zyxTzyxT0)0,,,(TzyxT§6.2.1温度分布与温度荷载在混凝土与基岩及新老混凝土之间的接触面上，初始温度往往是不连续的。一般情况下，方程常用的边界条件由以下三种方式给出:（1）第一类边界条件混凝土表面温度是时间的已知函数，即混凝土与水接触时，表面温度等于已知的水温，属于这种边界条件。)()(tftT§6.2.1温度分布与温度荷载（2）第二类边界条件混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即式中n为表面外法线方向。若表面是绝热的，则有)(tfnT0nT§6.2.1温度分布与温度荷载（3）第三类边界条件当混凝土与空气接触时，假定热流量、表面温度T、气温Ta及日辐射关系为：式中—表面总放热系数，考虑对流与辐射的综合热交换；Ta—蔽阳处气温；—结构表面日辐射热量吸收系数；S—为日辐射强度。STTnTsa)(s§6.2.1温度分布与温度荷载当桥梁位于荫蔽处，公式中应取为对流放热系数，Ta为荫蔽处气温，S=0；当研究箱梁内表面时，则应取内部综合放热系数，为内部空间气温，S=0。虽然第三类边界条件比较符合混凝土结构在自然环境中的热交换状况，但工程实践经验表明，按第三类边界条件求解，往往要选取合适的放热系数，才能得到较满意的计算结果。§6.2.1温度分布与温度荷载为简化起见，自然也考虑到导热系数、放热系数的复杂性，直接用边界的实测温度数据作为边界条件，即采用第一类边界条件。按边值条件解热传导微分方程，在数学上是个难题；对于工程问题，用函数求解几乎是不可能的。用差分法最好采用有限元法求解是最合适的。