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热环境下衬砌结构混凝土温度场分布及其开裂研究
| 论文题名： | 热环境下衬砌结构混凝土温度场分布及其开裂研究 |
| 关键词： | 隧道工程;衬砌混凝土;热环境;温度场;应力分布;开裂控制 |
| 摘要： | 热环境会对混凝土的早期水化、力学性能及体积稳定性产生显著影响。高温下，混凝土中水泥水化速率加大，水化温升提高，结构内部存在温度梯度，容易引起混凝土的开裂。热环境隧道衬砌、深部矿井高温巷道支护以及高温炉外部结构等部位混凝土在施工或服役阶段常受到单面热作用，存在开裂隐患。本文以复合式衬砌结构中的衬砌混凝土作为研究对象，通过试验与数值模拟相结合的方法，研究了不同阶段混凝土温度场与不同因素作用下应力场变化规律；在多场耦合作用下应力计算结果的基础上，以防止开裂为主要目标，从水化热控制、隔热措施等层面，研究热环境下隧道衬砌混凝土开裂控制措施。主要工作和结论如下： （1）在混凝土水化绝热温升试验基础上，采用有限元模拟研究了不同温度条件衬砌混凝土不同阶段温度场分布规律。基于热传导与热对流理论，建立了单侧热环境隧道衬砌温度场模型，并通过单侧加热混凝土模拟试验验证了其正确性。单侧热环境下衬砌结构混凝土换热稳定达到热平衡状态后，结构内外两侧的温差随外侧温度条件的提高而增大；热环境下水化热的对结构混凝土的温度分布存在一定影响，但其影响效果随着温度的升高而削弱，当外侧温度一定时，结构内外最大温差随对流系数的增大而增大，随环境温度的提高而减小；养护台车能够有效地降低衬砌混凝土内部的最大温差，其降低幅度最大可达34%。 （2）在不同高温养护条件下混凝土强度及收缩试验基础上，建立了隧道三维荷载-结构计算模型，研究了静力、温度以及收缩等因素作用下混凝土的应力分布特征与变化规律。单因素作用于衬砌混凝土时各因素产生的应力水平大小顺序为温度应力作用＞围岩压力和结构自重的静力荷载作用＞收缩作用，温度应力作用下28d后结构不同部位应力均未超过材料强度限值，但已较为接近；静力荷载与温度应力耦合作用时，两者作用并非简单线性叠加关系，而是有一定程度折减，且随着外侧温度的提高，折减幅度降低；收缩引起的应力值相较于静力与温度的作用占比较小；由于受到约束，拱脚处拉应力及拉应力增量始终最大。 （3）考虑衬砌混凝土在综合荷载作用下的应力分布与开裂情况，从水化热控制、增设隔热层和洞室保温等方面提出了热环境下隧道衬砌混凝土开裂控制措施。降低水泥水化热可在一定程度上降低结构内部温度峰值，从而减小衬砌混凝土内外温差；增设夹心式隔热层和贴壁式隔热层均可显著改善衬砌混凝土两侧温差，温差降低幅度均可达80%以上；贯通时洞室可采取保温等手段，将混凝土内外两侧温差控制在18℃以内，达到防止结构因温度应力过大而开裂的目的。 |
| 作者： | 孙钰 |
| 专业： | 土木工程 |
| 导师： | 季文玉 |
| 授予学位： | 硕士 |
| 授予学位单位： | 北京交通大学 |
| 学位年度： | 2023 |
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