混凝土温度效应理论优秀PPT.ppt

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1、6.26.2混凝土的温度效应理论混凝土的温度效应理论2020世纪年世纪年5050代初期，德国学者从混凝土桥墩裂缝的现场代初期，德国学者从混凝土桥墩裂缝的现场调查分析中，相识到温度应力对混凝土结构的重要性。调查分析中，相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我国铁道部大桥局曾在2020世纪世纪5050年头末对实体混凝土桥年头末对实体混凝土桥墩的温差应力作了调研工作。墩的温差应力作了调研工作。在温度应力探讨的起步阶段，国内外都以年温变更产生的在温度应力探讨的起步阶段，国内外都以年温变更产生的匀整温度分布为依据。匀整温度分布为依据。6.26.2混凝土的温度效应理论混凝土的温度效应理论

2、随着试验及理论探讨的进展，起先相识到温度分布的非线随着试验及理论探讨的进展，起先相识到温度分布的非线性问题。性问题。直到直到2020世纪世纪6060年头初，英国年头初，英国D.A.StephensonD.A.Stephenson的探讨成的探讨成果，才使对温度应力的探讨从考虑一般的气温作用，进入果，才使对温度应力的探讨从考虑一般的气温作用，进入到考虑日照作用的新阶段。到考虑日照作用的新阶段。6.26.2混凝土的温度效应理论混凝土的温度效应理论从从2020世纪世纪6060年头以来，国内外都发觉由于温度应力而年头以来，国内外都发觉由于温度应力而导致混凝土桥梁严峻裂损的事故。导致混凝土桥梁严峻裂损的事

3、故。Fritz Leonhardt Fritz Leonhardt 曾提到：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在箱型桥梁和肋板桥梁的顶面与下缘之间的温差可达到到27332733；预应力混凝土箱型桥梁大都因温差应力而损害；预应力混凝土箱型桥梁大都因温差应力而损害；6.26.2混凝土的温度效应理论混凝土的温度效应理论n在不考虑温差应力的设计中，在不考虑温差应力的设计中，轻信轻信在计算在计算荷载下荷载下结结构构无拉应力就不会出现拉应力是错误的无拉应力就不会出现拉应力是错误的。随着随着空心高桥墩空心高桥墩、大跨度预应力混凝土、大跨度预应力混凝土箱梁箱梁桥等一些桥等一些混凝土结构的发

4、展，混凝土结构的发展，温度应力温度应力对混凝土结构的对混凝土结构的影响影响和和危害危害，已越来越，已越来越引起引起工程界的工程界的重视重视。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载 6.2.1.1 6.2.1.1 温度分布与温度荷载的特点温度分布与温度荷载的特点混混凝凝土土桥桥梁梁竣竣工工后后，某某一一时时刻刻结结构构内内部部与与表表面面各各点点的的温温度状态即为温度分布。度状态即为温度分布。由由于于混混凝凝土土的的导导热热系系数数较较小小，在在外外表表温温度度急急变变的的状状况况下下，内内部部温温度度变变更更存存在在明明显显的的滞滞后后现现象象，导导致致每每层层混混凝凝土

5、土所所得得到到或或扩扩散散的的热热量量有有较较大大的的差差异异，形形成成非非线线性性分分布布的温度状态。的温度状态。影影响响混混凝凝土土温温度度分分布布的的外外部部因因素素主主要要是是大大气气温温度度变变更更的的作作用用，如如太太阳阳辐辐射射、夜夜间间降降温温、寒寒流流、风风、雨雨、雪雪等各种气象的作用等各种气象的作用 。影影响响混混凝凝土土温温度度分分布布的的内内部部因因素素，则则主主要要由由混混凝凝土土的的热物理性质、构件形态等确定。热物理性质、构件形态等确定。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载 6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载1 1、

6、混凝土的热物理性能、混凝土的热物理性能混混凝凝土土的的导导热热系系数数和和比比热热等等热热工工参参数数的的主主要要影影响响因因素素是是其协作料。龄期与水灰比对热工参数影响较小。其协作料。龄期与水灰比对热工参数影响较小。骨骨料料对对混混凝凝土土导导热热系系数数的的影影响响较较大大，一一般般骨骨料料的的导导热热系系数数约约为为1.863.49 1.863.49 (约约为为黑黑金金属属的的1/271/27），而轻骨料的导热系数约为而轻骨料的导热系数约为1.16 1.16 。骨骨料料对对混混凝凝土土比比热热的的影影响响也也较较明明显显，一一般般骨骨料料的的比比热热为为8001200 8001200 ，

7、约为轻骨料比热的，约为轻骨料比热的1.61.6倍左右。倍左右。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载1 1、混凝土的热物理性能、混凝土的热物理性能在在常常温温范范围围内内混混凝凝土土的的线线膨膨胀胀系系数数一一般般是是不不变变的的，轻轻质骨料质骨料混凝土的混凝土的数值较小数值较小。在在一一般般工工程程计计算算中中，普普通通骨骨料料的的混混凝凝土土、钢钢筋筋混混凝凝土土和和预预应应力力混混凝凝土土，线线膨膨胀胀系系数数可可采采用用 。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载2 2、温度荷载的特点、温度荷载的特点 混混凝凝土土桥桥梁梁构构件件的的温温度度随

8、随时时在在变变更更。就就自自然然环环境境条条件件变变更更所所产产生生的的温温度度荷荷载载，一一般般可可分分为为日日照照、隧隧然然降温及年温变更温度荷载三种类型。降温及年温变更温度荷载三种类型。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载2 2、温度荷载的特点、温度荷载的特点日照温度变更的主要因素是太阳辐射强度、气温变更和风日照温度变更的主要因素是太阳辐射强度、气温变更和风速，而从设计限制温度荷载来考虑，可简化为太阳辐射速，而从设计限制温度荷载来考虑，可简化为太阳辐射与气温变更这两个因素。与气温变更这两个因素。隧然降温一般只要考虑两个因素，即气温变更和风速，可隧然降温一般只要考虑

9、两个因素，即气温变更和风速，可以忽视日辐射的影响。隧然降温温度荷载变更较日照温以忽视日辐射的影响。隧然降温温度荷载变更较日照温度荷载缓慢、作用时间长。度荷载缓慢、作用时间长。年温变更比较简洁，在工程设计中已考虑。年温变更比较简洁，在工程设计中已考虑。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载3 3、桥梁构件温度分布的特点、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。桥梁构件的构造明显影响温度分布。在在混混凝凝土土箱箱梁梁中中，沿沿顶顶板板表表面面温温度度分分布布比比较较匀匀整整，但但沿沿腹板表面的温度分布则随时间而变。腹板表面的温度分布则随时间而变。混混凝凝土土塔塔

10、柱柱、墩墩柱柱结结构构的的垂垂直直表表面面的的温温度度分分布布，随随表表面面的朝向、太阳方位角的变更而异。的朝向、太阳方位角的变更而异。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载3 3、桥梁构件温度分布的特点、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。钢筋对构件温度分布的影响较小，可不予考虑。马马路路桥桥梁梁顶顶板板上上的的沥沥青青路路面面层层，当当其其较较厚厚时时对对顶顶板板有有明明显的减温作用，但较薄时因其吸热作用而对顶板不利。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 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载6.2.1.2

11、6.2.1.2 温度场与温度荷载分析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。混凝土结构内部的温度场是确定温度荷载的关键。分分析析温温度度场场的的方方法法一一般般有有三三种种：一一是是用用热热传传导导微微分分方方程程求求解解；二二是是接接受受近近似似数数值值解解；三三是是运运用用半半理理论论半半阅阅历历公式。公式。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载6.2.1.2 6.2.1.2 温度场与温度荷载分析温度场与温度荷载分析1 1、混凝土热传导微分方程及边界条件、混凝土热传导微分方程及边界条件混混凝凝土土构构件件内内部部和和表表面面的的某某一一点点，在

12、在某某一一瞬瞬间间的的温温度度可用下式表示：可用下式表示：温度不仅与温度不仅与坐标坐标 x x、y y、z z 有关，而且与有关，而且与时间时间t t 有关。有关。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载依依据据热热传传导导理理论论，对对于于均均质质、各各向向同同性性的的混混凝凝土土，按按弹弹性力学的推导可得下列三维非稳态导热方程：性力学的推导可得下列三维非稳态导热方程：式中式中 混凝土的导热系数；混凝土的导热系数；混凝土的比热；混凝土的比热；混凝土的容重；混凝土的容重；混凝土单位体积内放出的热量。混凝土单位体积内放出的热量。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分

13、布与温度荷载当当不不探探讨讨大大体体积积混混凝凝土土构构件件浇浇筑筑阶阶段段内内部部存存在在水水化化热热时时，热源热源 q q 可取可取 0 0。在热传导初始，温度场为已知函数，即当在热传导初始，温度场为已知函数，即当t=0 t=0 时时 在相当多的状况下，初始温度分布可认为是常数，即在相当多的状况下，初始温度分布可认为是常数，即 常数常数 6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载在在混混凝凝土土与与基基岩岩及及新新老老混混凝凝土土之之间间的的接接触触面面上上，初初始始温温度往往是不连续的。度往往是不连续的。一般状况下，方程常用的边界条件由以下三种方式给出一般状况下，方程常

14、用的边界条件由以下三种方式给出:（1 1）第一类边界条件）第一类边界条件 混凝土表面温度是时间的已知函数，即混凝土表面温度是时间的已知函数，即 混混凝凝土土与与水水接接触触时时，表表面面温温度度等等于于已已知知的的水水温温，属属于于这这种边界条件。种边界条件。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载（2 2）其次类边界条件）其次类边界条件 混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即混凝土表面的热流量是时间的已知函数，即 式中式中 n n 为表面外法线方向。若表面是绝热的，则有为表面外法线方向。若表面是绝热的，则有 6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载（3

15、 3）第三类边界条件）第三类边界条件 当当混混凝凝土土与与空空气气接接触触时时，假假定定热热流流量量、表表面面温温度度T T、气气温温 Ta Ta 及及日日辐射关系为：辐射关系为：式中式中 表面总放热系数，考虑对流与辐射的综合热交换；表面总放热系数，考虑对流与辐射的综合热交换；Ta Ta蔽阳处气温；蔽阳处气温；结构表面日辐射热量吸取系数；结构表面日辐射热量吸取系数；S S为日辐射强度。为日辐射强度。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载w当当桥桥梁梁位位于于荫荫蔽蔽处处，公公式式中中 应应取取为为对对流流放放热热系系数数，Ta为为荫荫蔽蔽处处气气温温，S=0；当当探探讨讨

16、箱箱梁梁内内表表面面时时，则则应应取取内部综合放热系数，为内部空间气温，内部综合放热系数，为内部空间气温，S=0。w虽虽然然第第三三类类边边界界条条件件比比较较符符合合混混凝凝土土结结构构在在自自然然环环境境中中的的热热交交换换状状况况，但但工工程程实实践践阅阅历历表表明明，按按第第三三类类边边界界条条件件求求解解，往往往往要要选选取取合合适适的的放放热热系系数数，才才能能得得到到较满足的计算结果。较满足的计算结果。6.2.1 6.2.1 温度分布与温度荷载温度分布与温度荷载为简化起见，自然也考虑到导热系数、放热系数的困为简化起见，自然也考虑到导热系数、放热系数的困难性，干脆用边界的实测温度数据作为边界条件，即难性，干脆用边界的实测温度数据作为边界条件，即接受第一类边界条件。接受第一类边界条件。按边值条件解热传导微分方程，在数学上是个难题；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行能的。对于工程问题，用函数求解几乎是不行能的。用差分法最好接受有限元法求解是最合适的。用差分法最好接受有限元法求解是最合适的。