寒潮突袭对混凝土薄板温度应力的影响.pdf

6 2 四川建筑科学研究 S i c h u a n B u i l d i n g S c i e n c e 第 3 8卷第4期 2 0 1 2年 8月 寒潮突袭对混凝土薄板温度应力的影响 沈超明 ， 杨绘峰 ， 杭振园 ( 1 ． 江苏科技大学船舶与海洋工程学院， 江苏 镇江2 1 2 0 0 3 ； 2 ． 江苏科技大学土木工程与建筑学院， 江苏 镇江2 1 2 0 0 3 ) 摘要： 混凝土薄板在遭受寒潮作用时会因为结构温度变化不均匀而产生较大的温度应力， 甚至出现温度裂缝， 从 而影响结构的安全 ， 这种现象在早龄期的混凝土薄板结构上尤为明显。文章以早龄期现浇楼盖为例， 在考虑龄期 对混凝土弹性模量及强度的影响的基础上 ， 利用 A N S Y S有限元软件对不同尺寸的现浇楼盖分别在不同龄期遭遇 寒潮突袭时的温度应力情况进行了数值模拟， 得出了相应的结论， 并给出了降低寒潮突袭影响的建议。 关键词： 寒潮突袭； 早龄期； 混凝土薄板； 温度应力； A N S Y S 中图分类号 ： T U 3 7 5 ． 2 文献标识码 ： A 文章编号 ： 1 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 2 ) 0 4— 0 6 2— 04 Ef f e c t o f c o l d wa v e s u d d e n a t t a c k o n t e mp e r a t u r e s t r e s s o f c o nc r e t e s t h i n p l a t e s S HEN C h a o mi n g ， YANG Hu i f e n g ， HANG Z h e n y u a n ( 1 ． S c h o o l o f N a v a l A r c h i t e c t u r e a n d O c e a n E n g i n e e r i n g ， J i a n g s u U n i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y ， Z h e n j i ang 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a ； 2 ． S c h o o l o f C i v i l a n d A r c hit e c t u r e E n g i n e e r i n g ， J i ang s u U n i v e r s i ty o f Sci e n c e and T e c h n o l o g y ， Z h e n j i ang 2 1 2 0 0 3 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ： W h e n c o n c r e t e t h i n p l a t e s u ff e rs c o l d w a v e ， i t wi l l p r o d u c e g r e a t t e mp e r a t u r e s t r e s s a s a r e s u l t o f t h e s t r u c t u r e ’ S u n e v e n t e mp e r a t u re v a r i a t i o n s ，an d e v e n s o me t i me s t h e r e w o u l d b e s o me t e mp e r a t u re c r a c k s o n t h e s n r f a e e o f c o n c r e t e t h i n p l a t e ； a n d t h e n t h e s e c r a c ks w o uld i n flu e n c e s e c u r i ty o f t h e s t ruc t u re． T h i s p h e n o me n o n i s v e r y o b v i o u s i n c o n c ret e t h i n p l a t e a t e a r l y a g e s ．On t h e b a s e o f c o n s i d e r i n g t h e e ff e c t o f a g e s o n c o n c ret e e l a s t i c mod u l u s a n d i n t e n s i ty， t h i s p a per h a d a r e s e a r c h a b o u t t h e e a r l y a g e c ast - i n — p l a c e fl oo r ， an d g o t t h e c o r r e s p o n d i n g c o n c l u s i o n s an d p r o po s als t o r e d u c e t h e i nfl u e n c e o f c o l d w a v e b y s i mula t i n g t h e t e mp e r a t u re s t r e s s of c a s t - i n - p l a c e f l oo rs i n d i ff e r e n t s i z e s a t t h e d i s p a r a t e a g e s b y ANS YS ． Ke y wo r d s ： c o l d w a v e s u d d e n a t t a c k； e arl y ag e ； c o n c r e t e t h i n p l a t e ； t e mpe r a t u re s t res s ； ANS YS 0 引 言 温度分布的不均匀性是混凝土结构产生温度效 应 的直接原 因， 而这种温度变化的不均匀性越显著 ， 混凝土结构 的温度效应就越突出。结构内部各处会 由于温度变化 的不均匀性而产生温度应力 ， 当温度 应力不能 自由释放 时， 将会导致 结构开裂 ， 甚 至破 坏。寒潮突袭是一种极端 的环境 变温情况 ， 而混凝 土是一种导热性能很差 的建筑材料， 当温度骤然降 低时， 混凝土结构 内部的温度将呈不均匀分布 ， 必然 产生较大的温度应力。在我国发生极端降温天气 的 状况非常普遍 ， 近年来 ， 这种状况发生的频率更是越 收稿 日期 ： 2 0 1 1 5 作者简介 ： 沈超明( 1 9 7 9一) ， 男 ， 江苏 宜兴人 ， 工 程硕士 ， 实验 师 ， 主 要从 事实验力学及工程测试技术的研究。 基金项 目： 江苏高校优势学科建设工程资助项 目 E —ma i l ： s c m0 9 0 5@ s i n a ． c o m． c n 加频繁， 工程实践中大量的现浇混凝土薄板结构都 必须面对这一问题 ， 故研究混凝 土薄板在受寒潮 突 袭时的温度应力有着重要意义。混凝土本身的力学 性能和其龄期有着密切的关系 ， 在早期 ， 其强度和弹 性模量都较低 ， 而后随着龄期 的增加而增长 ， 并且混 凝土的水化热也和龄期有关 。一般认为，由寒潮等 气温骤降因素引起的非均匀温差温度应力主要使面 板产生表面裂缝 ， 不会使面板产生贯穿性裂缝L 】 ， 但如果寒潮等气温骤降情况发生在施工期 ， 此时由 于面板混凝土内部水化热温升较高而 自身强度又较 低 ， 那么由寒潮所产生的内外温差温度应力不仅可 能使面板产生表 面裂缝 ，而且可能诱发、 加剧面板 产生贯穿性裂缝 j 。综上所述 ， 在研究混凝 土结构 受寒潮突袭时 ， 必须考虑混凝土龄期这个因素 ， 特别 是要关注早龄期阶段 。作者 采用 A N S Y S有限元软 件模拟寒潮突袭的过程 ， 研究 了常见混凝土薄板在 其几个典型龄期时温度应力的变化情况 。 沈超明， 等： 寒潮突袭对混凝土薄板温度应力的影响 6 3 1 寒 潮作用 的边值模拟 进行瞬态热分析 的前提是确定模型的初始条件 和边界条件。本文 中模型的起始温度设 为常量 ， 这 样比较符合寒潮突袭前混凝土构件各部位温差不大 的实际情况。结构温度效应的大小 只和温差及变温 速率相关 ， 而与起始温度值无关 ， 故该常量可任取 ， 本文根据江苏地区的气候条件取为 2 0 ℃。 边界条件 中模型周围流体的温度是有限元分析 的关键。根据 中国气象局规定 ： 单站气温在 2 4 h内 下降 1 O ℃以上或者 4 8 h内下降 l 2 ℃以上 ， 且最低 E t 气温降至 5 ℃以下的冷空气入侵都可以称为寒 潮。寒潮在不同的地区有不同的定义， 江苏气象局 规定： 在江苏省， 凡2 4小时内降温≥1 0 ℃， 过程最低 气温( 或过程结束 次 日) ≤5 ~ C， 并出现 5级 以上大 风的冷空气活动 即为一次寒潮过程- 4 ] 。作者认为 ， 风速会直接影响混凝土表面与空气对流换热的速 率， 故本文采用文献[ 4 ] 对寒潮的定义。 根据单站气温 的变化特征 ， 寒潮降温过程的一 般规律是 ： 起初气温先迅速递减 ， 继而趋于平缓 。现 有寒潮定义 中所确定的是寒潮强度的下 限， 真实寒 潮来袭时的降温幅度一般 比定义值要大得多。本文 为了简化计算 ， 作者提出用线性方程来描写 2 4 h的 寒潮降温模式， 见式( 1 ) ： = 7 " 0+ ( 0 ≤ ≤2 4 ) ( 1 ) 式中 ——寒潮期间 ￡ 时刻 的气温 ； k——降温速率 ， 取 0 ． 5 ~ C ／ h ； t ——寒潮来袭后的某一时刻 ， 0 ≤f ≤2 4 h ； —— 寒潮来袭前的空气温度， 可用余弦公 式表示 ， 见式( 2 ) ： ro = ( r m + i ) ( z -m 一 i ) ， ’ ’ ， ( i 一1 4 ) ) O S ( 0 ． 2 6 1 8 其 中： ， i 分别 是无寒潮时的 日最高 和最低气 温 ； 江苏地区寒潮强度以 3月和 4月最大， 此时间段 的日 最高和最低气温分别取为 1 5 c 【= 和3 ~C-4 J 。 混凝土结构表面与空气的对流换热可用表面放 热系数来描述 ， 它与构件所处环境 的风速、 构件表面 的粗糙度等有直接关系。根据江苏地区寒潮来袭时 风力的相关记录 ， 作者发现风力普遍在 6级 以上 ， 故 本文取 6 级风力进行计算， 根据文献[ 5 ] 给出的风 力与风速以及表面放热系数 的关系可知 ， 6级风对 应的光滑表面的放热系数为 9 o ． 1 4 K J ／ ( m2 h ℃) 。 2 混凝土薄板的有限元模型 现实工程中， 混凝土薄板 常用于框架结构的现 浇楼盖、 混凝土路面等。本文以现浇楼盖为研究对 象 ， 研究混凝土薄板在寒潮作用下的温度应力。根 据框架结构楼盖 的一般形式 ， 在考虑主、 次梁对楼盖 板约束 的基础上 ， 本文取了厚度为 0 ． 1 5 m的3种矩 形混凝土薄板进行分析 ， 平 面尺寸分别 为： 3 m3 m， 3 m 4 m和 3 m X 5 m( 分别记为 1 板 、 2 板 、 3 板) 。 2 ． 1 约束条件的简化 在框架结构 中， 混凝土楼盖 的板边缘是 由梁支 承并与梁相连接 的， 而梁又与柱相连接 ， 梁、 柱对混 凝土板边的约束是有限的。考虑到现浇混凝土板的 不设缝长度比主梁 的间距要 大很多 ， 主梁 的弯曲刚 度很大而扭转刚度却较小， 故计算 时两短边采用铰 支约束。而次梁 的弯曲刚度 和扭转刚度都较小 ， 故 计算时忽略次梁对板的约束。 2 ． 2 混凝土薄板 的计算参数 根据常规 ， 楼盖常采用 C 3 0级混凝土 ， 计算 时 所取的相关参数见表 1 ， 其中水泥用量取值满足文 献[ 6 ] 的规定。 ( 2 ) 表 1 C 3 0级混凝土的计算参数 T a b l e 1 Th e p a r a me t e r s o f C3 0 由于是新浇筑的混凝 土， 混凝土弹性模量 E ㈩ 是随着龄期而逐渐增长的 ， 故用朱伯芳院士提出的 复合指数公式 来表示 ： E f T ] = E o [ 1 一 e x p ( 一 町 ) ] ( 3 ) 式中 E 。 ——最终弹性模量， 取为 3 4 ． 2 5 G P a ； —— 混凝土龄期( d ) ； 0 ， b——常数 ， 分别取 0 ． 2 4 ， 0 ． 4 9 5 。 2 ． 3 水泥水化热模型 水泥的水化热是影响混凝土温度应力的重要因 素， 而新浇筑的单位体积 昆 凝土在单位时间内产生 的水化热 Q ㈤跟弹性模量一样 随龄期变化显著 ， 本 文 同样采用复合指数公式来表示 ： Q ㈩ =q 。 [ 1一e x p (一 a T ) ] ( 4 ) 2 0 1 2 N o ． 4 沈超明， 等 ： 寒潮突袭对混凝土薄板温度应力的影响 6 5 _ ． ■ ．＼~ ． ．7 8 51 9 4 8 ~ 6 9 0 ． 1 0 5 E +0 7 0 1 6 1 E + 07 0 ． 21 7 E+ 0 7 0 8 0 1 6 0 2 4 0 3 2 0 4 0 0 2 03 0 7 5 7 6 6 2 6 3 0． 1 3 3 E~ 7 0． 1 8 9 E +0 7 0． 2 4 6 E- 卜 0 7 Tr ME ( a 】 出现峰值应力时混凝土板的应力云图 ( b ) 峰值应力的应力时程曲线 图4 1 板浇筑第 1 4 d遇寒潮的应力 Fi g ． 4 1 1 l e s t r e s s o f c o n c r e t e p l a t e 1 e n c o u n t e r e d t h e c o l d wa v e i n t h e 1 4th d a y -9 7 8 5 7 5 6 21 21 0． 1 2 2 E+ 0 7 0 ． 1 8 8 E 卜 o 7 O + 2 5 4 E+ O 7 2 3 21 3 2 8 9 2 1 1 0 0 ． 1 5 5 E 十o 7 0． 2 2 l E +o 7 0 ． 2 8 7 B+ O7 ( a ) 出现峰值应力时混凝土板的应力云图 4 000一 TM ( b ) 峰值应力的应力时程曲线 图 5 l 板浇筑 第 2 8 d遇寒潮 的应 力 F i g ． 5 Th e s t r e s s o f c o n c ret e p l a t e 1 e n c o u n t e r e d the c o l d wa v e i n the 2 8 th d a y 从混凝土板应力云图中可以发现 ： 在寒潮来袭 后混凝土薄板中， 最大 的拉应力都是 出现在板 的边 缘或棱角处。各板在不同龄期遭遇寒潮时的峰值拉 应力见表 2 。 表 2 寒潮突袭时混凝土板的峰值拉应力 Ta b l e 2 T h e t e n s i l e s t r e s s o f co n c r e t e p l a t e en c o unt e r e d c o l d wa ve a 板的编号 d 1 1 ． 2 1 ． 7 7 2． 4 6 2 ． 8 7 2 1 ． 1 2 1 ． 6 8 2． 31 2 ． 7 2 3 1 ． O 8 1 ． 6 3 2． 2 0 2 ． 6 7 从各板不同龄期峰值应力的应力时程曲线中可 以发现， 其应力变化形态基本一致 ， 在寒潮来袭的 1 — 2 h内出现拉应力峰值， 随后逐渐降低， 但最终均 比寒潮来袭前的应力水平高。寒潮突袭初期出现拉 应力峰值的主要原 因是混 凝土本身 的导热性能差 。 在遇到突然降温时， 混凝土板表面迅速降温， 而内部 温度短时间内变化较小 ， 这样就形成了很大的内外 温差， 这种温度的不均匀分布直接导致混凝土板表 面产生很大的拉应力 。 混凝土抗压强度 随着龄期 丁而增长 ， 龄期 为 丁 时的混凝土抗压强度 R ) 可表示如下 J ： R ( ) = R c 2 8 [ 1+m l n ( r ／ 2 8 ) ] ( 5 ) 式中 。 — — _2 8 d龄期的混凝土抗压强度 ， C 3 0混 凝土取为 3 0 M P a ； —— 混凝土龄期( d ) ； m ——常数 ， 普通硅酸盐水泥取 0 ． 1 7 2 7 。 欧洲混凝土委员会建议用下式表示混凝土轴 向 抗拉强度 R 与抗压强度 尺 。 之间的关系 J ： 尺 。 = o ． 2 3 2 R ~ 。 ( 6 ) 由( 5 ) ， ( 6 ) 式整理得不同龄期 的混凝土轴向抗 拉强度为 ： R “ ) = O ． 2 3 2 { R c2 8 [ 1 + m l n ( r ／ 2 8 ) ] } 。 ( 7 ) 按( 7 ) 式计算得不同龄期的混凝土轴向抗拉强 度 ， 见表 3 。 表3 各龄期混凝土板的抗拉强度 Ta b l e 3 Th e t e n s il e s t r e n g t h o f c o n c r e t e p l a t e o fd i ffe r e n t a g e s M a 分析表 2 ， 3可以发现， 3 种新浇筑的混凝土板 遭遇寒潮袭击所产生的拉应力随着遇袭时龄期的增 加而增加 ， 且龄期为 1 4 d和 2 8 d时的各板的拉应力 峰值 已经超过了 C 3 0混凝土 的对应龄期 的抗拉强 度 ， 这将使混凝土板 发生开裂而影 响结构 的安全 。 ( 下转第 8 9页) 冯远丽： 某高层建筑已建基础及地下室的改造利用 8 9 由此可见 ， 对原基础进行加 固改造利用所带来 的经济效益远远大于简单的拆除重建 ， 目前该建 筑 已经建成并投入使 用 ， 实际工程处理费用与造价 师 估算吻合。 该大楼 已于 2 0 0 7年 1 1月 2 3日主体完工， 2 0 1 0 年全部竣工验收交付建设单位使用 ， 自项 目建设 当 初即开始建立基础沉降观测点， 自2 0 0 6年 l 2月 l 4 日 至 2 0 0 8 年 2 月 2 6日， 进行了 l 3次沉降观测， 期 间大楼基础荷载由 l 4层修建至 3 0层 ， 增加了 l 4层 楼的荷载 ， 历时 l 4个月 ， 且经历 了 2 0 0 7年的雨季 ， 从沉降监测资料得知， 大楼有下沉趋势， 但沉降量很 小 ， 而且沉降均匀 ， 一般在 2 ． 0 0— 3 ． 0 0 m m之间 ， 且 随荷载的增加 而增大 ， 最大沉降量为 3 ． 5 5 mm。裙 楼沉降量一般在 0 ． 2 4—1 ． 5 0 m m之间变化 ， 基本无 下沉现象。观测数据 显示主体结构基础 沉降差较 小 ， 在规范规定的限值范围内， 该大楼旧基础及地下 室利用成功， 可以满足新建大楼安全使用。 综上所述 ， 对原建基础进行加 固改造利用具有 可观的社会、 经济、 环保、 时间价值， 而且具有较高的 政治意义， 避免了重复建设在公众 中造成政府投资 管理不得力 的错觉 ， 维护 了政府及建设 方 的形象。 从某种程度上说 ， 本工程对类似工程的处理起到了 一 定的引导作用。 参 考 文 献 ： [ 1 ] J G J 3 --2 0 0 2高层建筑混凝土结构技术规程[ s ] ． [ 2 ] G B 5 0 1 1 --2 0 0 1 建筑抗震设计规范[ s ] ． [ 3 ] 叶书麟 ， 叶观宝． 地基处理[ M] ． 北京： 中国建筑工业出版社， 1 9 9 7 ． [ 4 ] 刘景政． 地基处理与实例分析[ M] ．北京： 中国建筑工业出版 社 ， 1 9 9 8 ． [ 5 ] 地基处理手册编写委员会． 地基处理手册[ M] ． 2 版． 北京 ： 中 国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 0 ． ( 上接第 6 5页) 此外 ， 在相同龄期遭遇寒潮时 ， 混凝土板产生的拉应 力的大小与板 的长度成反 比， 这是 由于在相 同的约 束条件下， 较长的板受梁的约束相对小一些， 变形更 自由。 4 结论 由前人的相关研究中可知， 温度应力是大体积 混凝土结构产生裂缝的主要原因之一 。作者认为混 凝土薄板虽然和通常意义上的大体积混凝土构件不 同， 但同样不能忽略其受寒潮作用而产生的温度应 力。本文通过模拟寒潮突袭对混凝土薄板结构温度 应力的影响 ， 得到了如下结论 。 I ) 寒潮突袭对早龄期混凝土薄板结构的负面 作用是非常明显的， 而且在浇筑第一个月内， 龄期越 大的板产生的拉应力越大。 2 ) 寒潮引起 的最大拉应力集 中在混凝 土薄板 的表面 ， 特别是在边缘和棱角处。 3 ) 框架结构中主梁的间距越小， 则主梁对板的 约束就越大， 早龄期混凝土板在遭遇寒潮袭击时产 生的拉应力就越大 ， 开裂 的风险就越大。 4 ) 由于混凝 土板 的厚度远小 于其他大体 积混 凝土结构， 故高强度的寒潮袭击不仅会导致混凝土 板产生表面裂纹 ， 甚至可能产生深层裂纹或贯穿裂 纹， 这是非常危险的， 必须引起重视 。 基于以上情况 ， 在冬 、 春两个寒潮多发的季节进 行混凝土施工时， 必须作好预防寒潮的应急预案， 并 采取必要的预防和控制措施 ， 如 ： 施工时关注气象条 件， 尽量避开在寒潮前 或寒潮期间进行混凝土浇筑 施工 ； 在寒潮多发的时期 ， 必须对新浇筑的混凝土板 作好保温措施， 降低由于混凝土板内外温差过大而 引起大的拉应力， 降低开裂风险； 尽量选用低热水 泥 ， 严格控制水泥水化热指标等。 参 考 文 献： [ 1 ] 杨德福， 马锋玲， 何树祥， 等． 混凝土面板温度收缩应力及相关 参数分析[ J J ． 实验研究， 2 0 0 2 ( 7 ) ： 5 9 - 6 9 ． [ 2 ] 罗先启 ， 刘德富， 黄峄． 西北口面板堆石坝面板裂缝成因分 析[ J ] ． 人民长江， 1 9 9 6 ( 9 ) ： 3 2 - 3 4 ． [ 3 ] 王瑞骏 ， 王党在， 陈尧隆． 寒潮冷击作用下堆石坝混凝土面板 温度应力研究[ J ] ． 水力发电学报， 2 0 0 4 ( 6 ) ： 4 5 -4 9 ． [ 4 ] 江苏气象局《 江苏气侯》 编写组． 江苏气候[ M] ． 北京： 气象出 版社 ， 1 9 9 1 ， [ 5 ] 朱伯芳 ． 大体积混 凝土温度应力 与温 度控制 [ M] ． 北 京 ： 中国 电力出版社， 1 9 9 9 ． [ 6 ] G B 5 0 0 1 0 --2 0 0 2混凝土结构设计规范[ s ] ． [ 7 ] 王新敏． A N S Y S 工程结构数值分析[ M] ． 北京 ： 人民交通出版 社。 2 0 0 9 ．