筏基大体积混凝土裂缝分析与控制.pdf

第9 期 2 O O 5 年9 月 广东土木与建筑 GUANGD0NG ARCHI r ECTURE CI VI L ENGI NEERI NG N0 ．9 S E P 2 o o 5 筏基大体积混凝土裂缝分析与控制 邓卓毅 梁柏 源 ( 1 、 江门市蓬江建筑设计院有限公司 广东江门5 2 9 0 0 0 ；2 、 江门市建设工程设计审查中心 广东江门5 2 9 0 0 0 ) 摘要 ： 运用混凝 土结构温度收缩裂缝控制原理 ， 在某工程基础设计 中进行裂缝控 制计 算并采取相应 的技 术措 施 ． 为筏 基 顺 利 施 工 提供 了理 论 依 据 。 关键词 ： 大体积混凝土；基础 ；温度应力 ；裂缝 ；水化热 ；养护 1工程概 况 江门市某大型公司综合楼为一幢集办公、 娱乐、 培训于一体 的综合性大楼 ， 地上 1 9层 ， 地下 I 层 ， 总 建 筑面积 1 ． 5万 m 2 ． 建 筑平 面设计 为椭 圆形 。 采 用筏 形基 础 。 底板厚 2 ． O m， 最 大尺 寸 4 8 m x 2 8 m， 其下设 计 有 5 0 0管桩共 2 0 6根( 如图 1 ) ， 垫层 为 C 1 5素混 凝土． 底板混凝土强度等级 C 4 0 ， 抗渗等级 C 6 ， 其配 筋 为 端 部 2 2 @1 8 0 ， 中部 加 强 带 2 2 @9 0 ， 均 为 底 面 双 向 配筋 ． 地 下 室建 筑 面积 为 1 1 0 0 m ， 混凝 土 用 量约 2 2 0 0 mz 。本工程基础底板 尺寸超长 ， 属大体积 混凝 土 ． 其裂缝 控制 难度 较大 ， 需 采 用多方 面措 施严 格控制混凝土内部裂缝 ， 确保达到强度和抗渗要求。 2 混凝土裂缝控制计算 本 工程筏 基采 用 C 4 0混 凝土 ， 其配 合 比为 水 泥 ： 砂 ： 石 ： 水 ： D L 一 3型减 水剂 ： 粉 煤灰 ： U E A微 膨 胀剂 = 1 ： 2 ． 2 7 ： 3 ． 1 4 ： 0 ． 5 5 ： 0 ． 0 1 3 ： 0 ． 2 0 1 ： 0 ． 1 3 4 ． 各种 材料 用量 ⑩ ⑥ ① ⑤ ⑩ ⑥ ⑧ ④ | | ! 1 I ◆ ◆ ◆l ’ — ． ◆ 4 -_ 。 ． ． ◆ l ． 4- =◆一 ．： ： ◆ 4- _ 均 ： 4- 4- 一 ： + 4- 4- ， ◆ ◆4- l ◆4-4- ◆4- ◆r ， ◆4- 。 4- ： ◆ ◆ ● ：◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 4- 一 ．4- ．． ◆- 1’。 ◆◆． I l◆◆◆ ■ ； -4 r ＼1 ’ 4-4-1叶 I4-4-4- ◆◆一 ◆ ／ 4-＼ J ◆ ◆ ◆ I◆ ◆ ◆ ◆ ◆ 一 ’ i ／◆． ◆ 4- l ◆ ◆ I ◆ ◆i 一 ． ， — + 出 l 4- 4- 州+ ～ 兰 离 塑 l 5 0 【 硅f l 10 0 ) I I l 1 !J — — — l 1 ． L l 砌 图 I 基 础 平 面 及 布 桩 图 报 分别为 3 2 9 ， 7 4 8 ， 1 0 3 2 ， 1 8 1 ， 4 ．3 9 ， 6 6 ， 4 4 k ~m 。 2 ． 1 混凝土温度计算及表面裂缝控制 ( 1 )绝热温升值 =wq ／ c r ( 1 ) 式中： 水泥用量 W= 3 2 9 k g ／ i n ； 5 ．2 5 R水泥水化热 Q ： 4 6 1 k J ／ k g ； C -- O ．9 6 K J ／ k g c lC ： ) " = 2 4 0 0 k g ／ m 3 。 经计算得： =6 5 ． 8 3 ℃ 。 ( 2 )内部最高温度 = + T I ( 2 ) 式 中： 为人模温度， 6月 中旬取 3 0 ~ C， = 0 ． 5 7 ， 经计 算 得 ： T ~= 6 7 ． 5 2 o C。 ( 3 )内部与表面最大温差 a ．表 面温度 (I)= ( H — h ) △ )／ 日 ( 3 ) 式 中 ： 为环 境温度 ，取 2 2 ~ 1 2 ； △ 0 ) = ． 5 2 — 2 2 -- 4 5 ． 5 2 ~ C： H为计算厚度( i n ) ， 假定筏基仅向大气散 热． 看作单面暴露于空气中的平板， 由H= h + h 计算。 = ／ (4 ) 式中： K = 0 ．6 7 ； 2 = 2 ．3 3 W／ m K ； fl 为保温层传热系数， 即： = [ ∑( ／ ) + 1 ／ ] ( 5 ) 式中： 为保温层导热系数( W／ m- K ) ； 为 保温层厚度 ( m) ； 为空气层传热系数 ， 取 2 3 W／ m K， 若无保温措施则 = ， 则： =K ／ q = 0 ．6 7 x 2 ．3 3 ／ 2 3 = 0 ． 0 7 m ( 6 ) H=h +h = 2． 0+ 0． 0 7= 2． 0 7m ( ) = 2 2 + ( 4 ／ 2 ． 0 7 ) x 0 ．0 7 x 2 ．0 x 4 5 ．5 2 = 2 7 ．9 5 ~C b ．最 大 内外 温差 △ ) = 7 一 死( ) = 6 7 ． 5 2 - 2 7 ． 9 5 = 3 9 ． 5 7 ~ C> 2 5 ~ C 以上计算结果表 明， 若混凝土浇筑后不 采取其它保温措施 ， 则其内外温差最大值将 为 3 9 ． 5 7 ℃． 超 出规 范 规定 的 2 5 ℃ ， 因此 必须 采取有效的保温措施。 2 9 维普资讯 2 0 0 5 年9 月 第9 期 邓卓毅 等： 筏基大 体积混 凝土裂 缝分析 与控制 S E P 2 0 0 5 N 0 ． 9 2 ． 2 保温 养护 措施 本 工 程筏 基 混 凝 土采 用 表 面 覆 盖 双 层 草 袋+ 单 层 薄 膜 的养 护 1 4 d以上 的措施 ， 经 计算 ( 略 ) 可 将 内外 温 差控 制 在 2 5 c c以内 ．不会 产生 表 面裂缝 。 2 - 3 温 度应 力 大 体 积 混 凝 土 浇 筑 3 d后 其 表 1各 台 阶 降温 的温 度 应 力 值 台 阶 6 d 9 d 1 2 d 1 5 d 1 8 d 21 d 2 4 d 2 7 d 3 0 d ( 1 0 ) 3 ． 1 47 3． 1 0 0 3． 0 34 2． 97 6 2． 9 3 4 2． 9 0 4 2． 88 7 c h ( W2 ) 1 ． 3 0 3 1 ．2 9 5 1 ． 2 9 0 1 ． 2 8 3 1 ．2 7 0 1 ． 2 6 1 1 ． 2 5 6 E ( 1 0 4 N ／ m m 2 ) 1 ． 8 5 9 2 ． 4 4 1 2 ． 7 2 5 3 ． 0 0 5 3 ． 0 8 4 3 ． 1 4 3 3 ． 1 8 9 △ 2． 5 00 3 ． 1 9 0 6．22 0 6． 5 30 6． 52 0 4 ． 48 0 3． 1 1 0 日0． 2 08 0． 21 4 0 ． 21 5 0． 2 33 0． 2 52 0． 301 0． 5 2 4 ( MP a)0． 0 6 6 0． 04 9 0． 1 0 2 0． 1 1 8 0． 1 27 0． 1 03 0． 1 2 5 2 ． 88 6 1 ． 2 41 3 ． 22 6 2． 4 60 0． 5 70 0． 1 03 2． 8 5 3 1 ． 231 3 ． 25 5 1 ． 7 40 1 ． o o0 0． 1 25 中心温度将达到峰值 ， 然后降温直至 3 0 d时基本完 成 ． 现以 3 d为降温台阶按下式计算其温度应力 ： 。 [ 卜 AT iH ， f 1 )( 7 ) 式 中： 为混凝土线温度系数 ， 取 1 ． O x l O ； 泊松 比 =O ． 1 5 ， 筏板 L = 4 8 m， 厚 H= 2 m， 其结果见表 1 。 再 计算 总 降温产生 的最 大拉 应力 ： ～ = f f 1 =O ． 91 8 MPa C 4 0混凝 土抗拉 强度 设计值 f = 1 ． 7 1 MP a ． 则 ： K -- f , ／ ～ = 1 ．7 1 0 ／ 0 ．9 1 8 = 1 ． 8 6 > 1 ． 1 5 ， 满足抗裂要求。 2 - 4伸缩缝 间距 ( 1 )综 合 温差 按浇筑混凝土 3 0 d的总降温差计算其综合温差 ， 即 + ， 为 便 于计 算 ， 把 基础 截 面 实 际 非 均 匀温 度 分布 假定 为 相对 中心轴 的对称 抛 物 线 ． 平 均最 高 温度 为 。 a ．浇筑 后 3 d其 中心 温度 达 6 7 ． 5 2 c c． 上 边缘 由 3 O c c 升 至 4 7 ． 2 9 c c， 中心 与边缘 温差 2 O ． 2 3 c c ， 则 ： ( 3 ) = + 号／ 4 = 4 7 ． 2 9 + 号x 2 0 ． 2 3 = 6 0 ． 7 7 o C b ．浇 筑 后 3 0 d， 环 境 温 度 2 7 c c， 中心 与 边 缘 温 差 为 5 c c． 则截 面平均 温度 为 ： ( 3 0 ) = 2 7 + 号x 5 = 3 0 ． 3 o C T m = ( 3 ) 一 ( 3 0 ) = 6 0 ． 7 7 — 3 0 ． 3 3 = 3 0 ． 4 4 c c T r ( 3 0 ) = 4 ． 4 8 ~ C Z ’_ + =3 0． 4 4+ 4． 48 =3 4． 9 2 ~ C ( 2 )混凝 土极 限拉 伸值 p a ( ) -- f , [ 1 + ∥ d ] x 1 0 -4 x l n t ／ l n 2 8 ( 8 ) 式中 = 1 ． 7 1 M P a ， d = 2 ． 2 c m， ∥= F ／ = o ．2 1 ％。 经计算 得 ： p a ( t ) = 1 ． 9 1 2 x 1 0 。 ( 3 )整 浇最 大长 度 限值 因h ／ L = 2 ．o ／ 4 8 ．0 = 0 ． 0 4 1 4 8 m 因此筏基可一次性浇筑 ， 不需留设施工缝 。 3 O 3大体积 混凝 土裂 缝控 制主 要措 施 3 ． 1 配 合 比设 计 为了降低水化热 ． 本工程采用“ 三掺法” ． 即在混 凝 土 中掺人 粉 煤 灰 、 U E A微 膨 胀剂 和 D L 一 3型缓 凝 减 水剂 ， 其用 量 分别 为水泥 用量 的 1 5 ％、 1 0 ％和 1 ％ ， 并 掺 人适 量 的粉 煤 灰 ． 以 大大 改 善混 凝 土 的 和易 性 和可塑性， 降低温升值 ， 减小收缩 ， 提高抗渗性能。 3 ． 2 结构设 计措 施 ( 1 )本 工程 结 构平 面 为 椭 圆形 ． 简单 、 规 整 和 对 称 ， 设计时把电梯基坑底面升至筏基顶面 ， 使筏基成 为一块等厚的混凝土厚板， 可避免筏基截面的突变， 大大减少应力集中现象并减小地基约束应力。 ( 2 )由于筏基厚达 2 m，故设计时在筏基厚度的 中部 增设 1 层 双 向 1 4 @2 0 0的温度 分 布钢筋 ． 以约 束混凝土的塑性变形 ． 从而分担混凝土的拉应力 ． 提 高混凝 土 的极 限拉伸 ， 起 到一定 的抗 裂作 用 。 3 - 3 施 工技 术措施 ( 1 )控 制浇 灌温 度 ． 在 泵车 水平输 送 管 的整 个长 度 范 围 内覆 盖单 层草 袋 ． 经 常 喷洒冷水 ． 以减少 混凝 土泵送 过程 中吸收太 阳热 辐射 而导致 温 度升高 。 ( 2 )采用保温保湿方法进行养护 ． 以保证水泥水 化 作 用在 良好环 境 下进 行 ． 使 混 凝 土早 期 抗拉 强 度 提 高 ， 增 强抗 拉 能力 。 ( 3 )选择 最 佳的混 凝土 浇筑 方案 ． 按整 体连 续浇 灌 要求 ． 采 取 分层 方式 连 续 浇筑 ． 每 层 厚 5 0 0 mm． 沿 椭 圆长 轴方 向 由南 向北 进行 浇筑 。当进行 到一定 距 离 后 ， 在 已浇 筑 的下层 混凝 土 尚未初凝 时 ( 约 3 ． 5 h ) ， 即开 始浇 筑 第 2层 ， 依 次类 推 直 至 整个 基 础 浇筑 完 成 ， 采用 机械 振捣 ， 不得 出现 漏振 现象 。 ( 4 )在 混凝 土初 凝前 1 ～ 2 h ， 用 1 0 ～ 2 0碎 石 均 匀 撒铺 在 混凝 土 表面 刮 平拍 实 ， 并 用 木 抹 子抹 实 两 遍 ， 铁抹子 抹 压一遍 ， 对 防止 混凝 土表 面干缩 裂缝 较 为有 效 。 ( 下 转第 2 1页 ) 维普资讯 2 O 0 5 年9 月第9期 广东土木与建筑 s I 2 0 0 5 N 0 ． 9 表 4计算 结果 比较 势是 纯有 限元模 型难 以 比拟 的。纯 有 限元模 型的单 元数 约 为耦 合模 型 的 1 0 ． 2 0 6倍 ． 节点 数 约 为耦 合模 型的 3 ． 0 2 8 倍 ，对于实际工程来讲其节省量是相 当 可 观 的 ． 这 充分 显 示 了无 限元 克 服 了有 限元 普遍 存 在的弊端而显示 出自身的优势 ， 具有形式简单 、 节点 数少 、 便于与有 限元耦合 、 计算精度高等优点 ， 具有 广 阔 的发 展应 用前景 。 3 4 5 自振 频 率 比 较 6 2 振型 阶数 参考文献 燕 柳 斌 ．结 构 分 析 的 有 限 元 及 无 限元 法 ．武 汉 ： 武 汉 工 业大学出版社 ， 1 9 9 8 王勖成 ， 邵 敏．有 限单元法 基本 原理和数值方法 ( 第 二 版 ) ．北 京 ： 清华 大 学 出版 社 ． 1 9 9 7 3李 国豪．工程结构抗震动力学．上海 ： 上海科 学技术 出版 社 ． 1 9 8 0 ． 2 ( 上 接第 3 0页 ) ( 5 )混凝土侧面模板应延缓拆卸 ， 以保证筏基混 凝 土侧 面 的湿 度 和温 度 ， 在 浇筑 完 毕 l O d后再 进 行 拆 卸 ． 并及 时覆 盖和洒 水养 护 1 4 d以上 ， 然 后迅 速填 土进 行保 护 。 ( 6 )混凝土温度监测 本工程筏基混凝土浇筑施工在 4 d内完成 ， 测得 混凝 土 在初凝 后 4 ～ 7 h内开始 升 温 ， 2 8 h后基 础 中心 点截面中心温度达到峰值 6 5 ． 2 ~ C，测得 的数据与计 算值基本吻合但 略小 ， 直至结构完工筏基未出现任 何裂 缝 。 4结论 在本工程筏基底板大体积混凝土施工 中， 通过 分析 大 体积 混 凝 土裂缝 的形 成机 理 ， 并 事 先 通过 相 关计 算 而采 取 相应 的 裂缝 控 制方 案 ， 且 在 施 工过 程 中周 密 和科 学地 指 导施 工 ， 从 而 成 功地 控 制 和避 免 了大 体积混 凝 土结构 裂缝 的产 生 。 参考文献 1 王 铁 梦 ．工 程 结 构 裂 缝 控 制 ．北 京 ： 中 国 建 筑 工 业 出 版 社 ． 1 9 9 7 2赵志缙 等．建筑施工．上海 ： 同济大学出版社 ， 1 9 9 5 3 姚 激等．箱形基 础大体 积混凝 土裂缝 控制计 算与 施工 ． 昆明 ： 昆明理工大学学报 ， 2 0 0 1 ( 5 ) 4 G B 5 0 0 1 0 — 2 0 0 2 混凝土结构设 计规 范 21 维普资讯