预应力钢筒混凝土管早龄期温、湿度场及耦合应力场分析

作     者：窦晓雪 

作者单位：华北水利水电大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘桂荣

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 081304[工学-建筑技术科学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 080502[工学-材料学] 0813[工学-建筑学] 

主      题：有限元分析 二次开发 温湿耦合应力 等效龄期 水化度 

摘      要：预应力钢筒混凝土管(Prestressed Concrete Cylinder Pipe,PCCP)因具有较好的抗渗及抗震性能、经济寿命长、施工方便等优点,广泛地应用在城市供水工程及长间隔输水干线工程中。在PCCP的生产过程中,为了加快混凝土硬化,加快生产进程,通常采用高温蒸汽养护方式。由于早龄期混凝土水化放热,导致PCCP结构内外温差较大,产生温度应力。同时,早龄期混凝土由于湿度变化会引起明显的自收缩及干燥收缩。若PCCP受到外界约束,便会产生较大的干缩应力。当温湿耦合应力超过当前龄期下混凝土的抗拉强度时,PCCP就会产生裂缝。因此,有必要对PCCP进行早龄期下温度场、湿度场及应力场分析,避免不当高温蒸养制度、恶劣外界施工环境导致混凝土裂缝的产生。本文主要研究内容及结果如下:(1)介绍了基于水化度的混凝土热学参数及绝热温升计算模型,开发了温度场子程序并对子程序进行了验证。在此基础上,分析了实际蒸汽养护制度及外界环境温度下的PCCP早期温度场分布,得到了混凝土热学参数随水化度变化的变化规律。(2)根据湿度场和温度场理论求解模型的相似性,参照温度场分析方法进行了PCCP早龄期湿度场分析,考虑了与混凝土温度有关的湿度扩散系数、与混凝土当前水化度有关的水分自耗散函数。研究结果表明:在蒸养结束以后PCCP插口端及内外壁的相对湿度随着养护龄期的增加而下降,而PCCP内部的相对湿度几乎保持在1。(3)介绍了基于等效龄期的混凝土抗拉压强度及弹性模量,并对混凝土温度应力及收缩应力控制方程进行了介绍。本文采用顺序耦合的方法,对PCCP进行了早龄期温、湿度场及耦合应力场分析。首先进行了温度场分析,然后再进行了湿度场和湿度应力分析。最后将干缩应变与温度应变叠加,得到了PCCP在温度及湿度共同作用下的耦合应力场。研究结果表明:在蒸养降温阶段,混凝土应力出现急剧增加趋势,拆模以后,干缩变形对PCCP表面的混凝土应力影响较大。(4)分析了蒸汽养护制度的升温、降温速率以及不同外界环境对PCCP温、湿度场及耦合应力场的影响,对早期PCCP开裂风险进行了评估。结果表明:在蒸汽养护前72 h时间段内,不同升温或降温速率下,各监测点混凝土第一主应力均未超过当前龄期下的混凝土抗拉强度。因此,在现有的蒸汽养护制度下,可以将升温或降温速率设置为10℃/h及20℃/h。夏季施工时,PCCP不易产生裂缝,但冬季施工时,当日最高环境温度为5℃,日最低环境温度为0℃时,蒸养结束后,插口端各监测点的开裂风险系数η达到了0.91(大于规定的0.7),插口端易产生裂缝。因此,在该环境下施工,应采用相应的施工措施。