大体积混凝土的温度效应计算理论与整体分析.pdf

第l 2 期 2 O 0 5 年1 2 月 广东土 木与建 筑 GI j A N GI ) ONG ARC HI I E CT URE CI VI L EN GI N EE RI NG N o 1 2 D E C 2 0 0 5 大体积混凝土的温度效应计算理论与整体分析 陈 燕 ( 暨南大学 广州 5 1 0 6 0 0 ) 摘 要 ： 大体积混凝土的水化热及干缩等非荷栽作 用引起 的开裂是 目前工程 中亟待解 决的课 题 ， 文中简述 温度 效应引起 的结构裂缝特 点以厦 目前常用的计算模 拟模 型等 并利用有限元模拟某 大体积工程施工阶段 温度 应力 场 ， 为设计提供 了依据 并在 算例 的基础上说 明有限元法在温度效应计算方面具有广阔的应用前箭 关键词 ： 温度应 力；裂缝 ；大体积混凝土 ；有限元 分析 1 概述 昆凝土结构裂缝是一个相 当普遍的质量 问题 ， 近年来已引起许多用户的不满与投诉 ， 特别是随着 超长超大混凝土结构 的 日益增多 ， 工稃裂缝控制技 术难度进一步增大。大体积混凝土结构- - 般采用设 置永久性变形缝 、 蛇形冷却管降低水化热 、 使用微膨 胀混凝土等措施 ， 但造价较高且不完全可靠 ， 因此如 何在不增加投资的条件下利用简便易行的常规技术 手段解决混凝土裂缝控制 问题 ， 成为 目前广大_丁程 技术人员努力探讨的课题 2裂缝的分类及其特点 按照结构引起开裂的主要因素对裂缝形式进行 分类， 可划分为荷载裂缝和变形裂缝 ， 前者是因直接 外荷载作用效应导致的裂缝 。 日前我 国规范对该形 式的裂缝 问题已有统一的计算验算公式 从本质上 讲它是一种强度裂缝 ， 未考虑变形效 ； 后者是指 由 温度 、 收缩和膨胀 、 不均匀沉降等 因索引起的裂缝 ， 它的起 因是结构 首先要求变形但得不到满足而引起 麻 ， 应力与结构刚度相关而 只有 当其超过一定数 值才会引起裂缝 然后变形得到完全或部分满世。 同 时刚度降低和应 力部分释放 ， 某些结构的材料强度 虽然不高， 但具有也 可适应变肜要求 ， 抗裂性较好 据 围内外杳 u 关调查资料 ， 工程实践 中结构物裂 缝属于变形变化( 温度 、 收缩 、 不均匀沉降) 引起的约 占 8 0 以上_ J 。 尤其是大体积7 _I! 凝土 ， 养护阶段混凝 土水化热温变化和干缩足开裂 的主要原 因 南 r它 们本质上的一致性 ， 故往往被归为同一类别， f l 0 作为 6 温度裂缝处理 ， 但从理论上讲 昆凝土的 自由收缩 并 不会引起结构开裂 ， 但 由于结构属于超静定体系 ， 多 余约束的存在使得收缩受到限制而引起开裂。这类 温度变形裂缝具有以下特点_ I2 ： 开裂具有时间效 应， 即有一个累积过程和从量变到质变的过程 ； _= f = 裂往往发生在施工养护阶段； 裂缝分布具有明显 的规律性 。 温度裂缝按其开裂形式可分为贯穿性裂缝和非 贯穿性裂缝两种 ， 前者是由于截 面温度的均匀变化 而引起 ， 是工程 中需要预防的有害裂缝_ 3 ， 而后者则 是 由于温度沿构件截面的高度存 在梯度 ， 导致构件 产生弯 曲裂缝 ， 一般在计算巾不考虑 ， 只需限制内外 表面温差来进行控制 ， 我 国 高层建筑混凝土结构技 术规程 规定构件内外表面温差如低于 2 5 即可不 考虑其影响。 3 计算温度裂缝的依据 目前大体积混凝土温度裂缝的计算依据主要是 材料的力学性能 ， 一般认为达到以下仟何一点就可 能出现裂缝 ： ( 1 )从应 力的角度看 混凝土 中的拉应力超过材 料的抗拉强度而引起开裂； ( 2 )从变形 的角度看 混凝土 中的拉伸应变达到 或超过极限抽伸应变而引起开裂。 4 计算温度效应的模型 由于温度裂缝问题涉及施工工 艺、 材料 、 环境等 多个方面， 温度效应 的计算相当复杂， 故我国规范也 未对其作 计算描述 。目前工程界对于超长基础底 维普资讯 http:/ 2 O 0 5 年1 2 月 第1 2 期 陈燕： 大 体积混凝 土的温 度效 应计算 理论与 整体分 析D E C 2 0 0 5 N o 1 2 板等结构采取留设后浇带的做 法 ， 从而减轻了施丁 阶段的温度效应问题 ， 但会使施工难度增大 ， 且后浇 带完成后在使用阶段也较易出现渗漏现象 。因此 ， 需要建立一个简单实用的计算理论来进行温度效应 计算 。 为无缝施T提供可靠依据 。我国学者王铁梦 根据T程实际 提 出了实用可靠的“ 王铁梦法” 来讨 算温度效应，在大量重大工程中得到应用并取得成 功 随着计算力学和材料本构的不断发展 ， 采用有限 元方法进行结构温度效应计算已成为一种新途径。 “ 王铁梦法” 主要适用于大型基础底板及长墙等 受均匀约束的结构 。 它根据混凝土开裂的本质原因， 利用二维平面应力模型建立了温度应力计算模型， 根据计算拉应力大小判定是否需进一步采取裂缝控 制措施 。该法具有直观明确的物理意义 ， 对于边界 条件简单的结构能进行快速计算 ， 但对于那些约束 较复杂的结构 则无法考虑空间结构各部分之间的 相互约束关系。 有限元法是一种通用的计算方法 。 随着计算机 的普及和发展 ， 大型通用有限元商用软件在工程 中 得到了广泛应用 ， 不仅能利用来分析结构温度应力， 还能对结构各阶段温度场和热应力进行耦 合分析 ， 能很好地考虑结构之 间的相互约束关系 ， 反映结构 存温度作用下的变形和应力分布状态。 S 算例分析 本文利用有限元程序 A n s y s 时暨南大学 附属第 一 医院直线加速器用房工程在施丁养护阶段的整体 温度应力进行计算 ， 为其提供 了设计依据 。本工程 平 面为 2 4 m( L ) x l 4 m( D) ( 如图 1 ) ， 墙厚平均 1 2 m， 局部达 2 0 m， 层 高 4 2 m。 采 刚 C 3 0混 凝 土 基 础 、 侧墙及顶板 为整体现浇 ， 分 层 浇 捣 ，不 设 缝 。 施工中采用 钢模板 ， 做好混 图1 结构平面示意图 凝土表面的保温 、 保湿措施 ， 保证截面内外温差小于 2 5 C， 要求控制每 日降温值 1 o C 1 5 C， 养护拆模 时 问 1个月以上 ，总水化热温升降为 3 0 C( 包括收缩 等效温降) 。 建模采用 s o l i d 4 5单元，地基基床约束系数 = 0 1 N m m 3 , 仅考虑结 构各部分温度的均 匀变化 ，不考虑沿 截 面的温度 梯 度 。 计算中将降温划分 为 9个 阶段 共 3 0 天 计算最后叠加 各 阶段应力得到的 总应力。结构整体 图2 结构整体模型及单元划分 单元划分如图 2所示。计算中混凝土弹性模量随时 间推移而增大 ， 本文在计算 中采用式( 1 ) 考虑弹性模 量的变化 即： E( 彳) = E n ( 1 一 e m 0 9 ) ( 1 ) 式 中： E ( z I ) 、 分别为不同龄期混凝土的弹性模量 和 3 0 d龄期的弹性模量 ； z I 为龄期( d ) 。 图 3给 了结构变形云图， 可以看出结构在温 度效应的作用下 ， 其变形具有明显的空间协调特征， 尤其对于平面图中最右侧的墙 由于顶板 的约束作 用 ， 其变形呈明显的平面外剪切型 ， 这是“ 王铁梦法” 平面法所无法反映的。 O 9 8 7 1 0 * 1 9 7 5 x 10 -x 2 呲 x l O 3 9 5 x l C0 4 9 4 1 1 48 1 x 1 0 2 删x 1 3 ,4 5 6 x 10 a 4 ,4 4 4 x 10 图 3结构变形云图( i n ) 根据文献 1 ， 由于结构混凝土应力松弛 ， 计算 温度应力可取约 0 3的折减系数 ， 计算得第 1 主应力 如图 4所示 。从应 力云图中可以看 出， 各墙的应力 分布与“ 王铁梦法” 的计算规律相 一致 ， 均为 中部 向 两边逐渐减小 ， 底部向上扩散减小 ， 验汪了有限元温 度应力计算的准确性 。该 图表明结构主拉应力除局 部较集 中外 ， 其余均小于 0 6 MP a ， 而 C 3 0混凝土抗 拉强度标准值为2 0 l M P a ，安全系数 2 0 1 0 6 = 3 3 5 1 1 5 ， 满足规范要求。 此外 ， 应力图还显示应力在 m5 6 6 x 10 2 ,2 3 3 1 3 x 1 6 ,4 1 1 9 1 x l 1 0 6 1 14 8 1 0 1 4 3 74 x l N 4 3 2 2 5 2 1 8 5 0 13 x D 1 2 7 1G 1 6 9 x 1 ( a )I l 面 7 维普资讯 http:/ 2 O 0 5 年1 2 月 第l 2 期 广东土 木与建 筑 D E C 2 o o 5 N 0 - 1 2 9 4 5 6 6 x 10 2 ,2 3 3 13 x 1 6 4 1 19 1 0 l 胁 f 1 4 8 x 1 1 9 4 5 6 6 x 1 2 2 3 3 13 x 1 0 6 4 1 I9 1 x lO 1 I)6 jcl 1 d S x l& l 4 3 7 4 x 1 0 4 4 ,3 2 2 5 2 10 8 5 0 13 x 1 0 1 2 7 x 10 6 1 10 6 1,4 3 7 4 x 10 4 3 2 2 5 2 x l 0 8 ，50 1 3 x 1 0 1 2 7 x l & l 6 9 )c l ( b )背 而 图 4 结构 第 1主应 力云 图 ( N m： ) ( 。 )巾部 墙与墙 、 墙与板的交界处 以及墙底部稍大 ， 但均小于 C 3 0的抗拉强度 ，由于计算中未考虑钢筋的有利影 响 ， 故这些部位也完全 能满足设计要求 ， 同时设计 中 拟在上述部位设置暗柱和暗梁 ， 适 当提高其水平钢 筋配筋率 ， 以提高混凝土的极限抗拉强度。 6结语 裂缝控制是工程设计 中相 当重要 的 一个环节 特别是对于一些大体积混凝土 的温度 效应裂缝 目 前尚未有很理想的计算模拟理论来考虑裂缝的形成 和开展过程。“ 王铁梦法 ” 是 一种简单 实用 的方法 但对一些空间效应明显的大型结构 ， 其应用还存在 一 定的局限性 。而有限元法相对于“ 王铁梦法” 更能 反映结构的空 间协调效应 ， 以及结构受力细部特征 ， 随着有限元计算单元的更新及计算机不断向高速 、 高容鼍发展， 它在这方面计算中将不断得到应用。 参考文献 1 王铁梦工程结构裂缝控制 M 北京 ： 中 国建筑工业 出 版礼 1 9 9 7 2 游保坤 ， 李乃 珍膨 胀剂及 其补偿 收缩混 凝土 M 北 京 ： 中国建材工业 山版社 。 2 0 0 5 l 3 徐荣年， 徐欣磊 工程结构裂缝控制 G “ 王铁梦法” 应用实例集 北京 ： 中国建筑 工业 出版社 ， 2 0 0 5 ( 上接第 3 O页 ) 4 4 供 电变压器或发电机容量的选择 配电干线上的计算负荷实际上就是施工现场临 时用电总计算负荷或用 电总容量 。 也是选择配电支 干线 、 干线导线和总配电箱电器 ， 以及供电变压器容 量的主要依据 。 5临时用电施工组织设计的主要内容 5 1 现场勘察 ： 用于确定各电源设备 的位置 包括 电源进线 、 变 电所 、 配电室 、 总配电箱 、 分配电箱 、 固 定开关箱 、 用电设备以及线路走向等 。 5 2 负荷计算 ： 根据现场用电情况计算用电设备及 机组 、 配电线路及作为供 电电源的变压 器或发电机 容量的负荷 5 3 变电所选择 ：选择和确定变电所的位置和容量 、 相关配电室和配 电装置的位置 、 接地措施 、 进 、 出线 方式 ， 以及与自备发电机的联接方法等。 5 4 配电线路设计 ： 选择和确定线路走 向、 配线种 类 ( 绝缘线或电缆) 、 敷设方式( 架空或埋地 ) 、 导线规 格 、 以及周围防护措施等。 5 5 配电装置设计 ： 选择和确定配电装置( 配电柜 、 R 总配 电箱 、 分配 电箱 、 开关箱) 的结构 、 电器配置 、 电 器规格 、 电气接线方式等。 5 6 接地设计 ： 选择和确定接地保护类别和位置 ， 并 根据对接地 电阻值要求选择 自然接地或人T接地。 5 7 外电防护措施 ： 根据施工现场各种设施在施工 过程 中与邻近外 电高 、 低线路间的相对位置关系 ， 确 定是否搭设绝缘 防护隔离屏障或遮拦 ， 并采用机械 强度高的绝缘材料制作 ， 保证在施T过程中不受破 坏 ， 并有效地与外电线路实现电气安全隔离。 5 8 安全用电与电气防火措施 ： 包括施工现场各类 作业人员相关安 全用电知识教育和培训 ， 可靠 的外 电线 路防护 ， 完备的 T N S接地 、 接零保护 系统和漏 电保护系统 配电装置合理的电器配置 、装设和操 作 ， 以及定期检查维修 配电线路的规范化敷设等 ： 电气防火措施包括针对 电气火灾的电气防火教育 依据负荷性质 、 种类 、 大小合理选择 导线 和开关 电 器 ， 电气设备与易燃 、 易爆的安全隔离 。 以及配备灭 火器材 、 建立防火制度等 。 5 9 建筑施工用电工程设计施 图 具体包括供电总平 面 、 变配电所布置、 供电系统 设计 、 接地装置布置等内容。 维普资讯 http:/