现浇混凝土空心楼板温度裂缝性能分析.pdf

2 0 0 6 年 6月 第 3卷 第 2期 深圳土木与建筑 V 0 L 3 N o 2 J U N 2 0 0 6 现浇混凝土空心楼板温度裂缝性 能分析 巴桂江刘维亚曹伟 良 ( 深 圳 华森 建筑 与工 程 设计顾 问有限 公司 ) 提要 本文通过分析现浇混凝土空心楼板在温度变化下的裂缝宽度，对其抗裂性能进行 了研究，并 与实心混凝土楼板进行 了对 比，同时借助非线性有限元法进行 了电算分析验证 。 关键 词 现 浇混凝 土 空心楼板 裂缝 0 引言 现浇混凝土空心楼板是近几年发展起来 的一种 比较新的结构形式， 具有 自重轻等优点， 在工程实践 中的应用越来越广。 由于空心楼板存在局部较薄的薄 弱部位， 其裂缝宽度等 问题往往使很多人心存疑虑。 混凝土结构裂缝产生的原因很多， 其一主要为外荷载 的直接应力和次应力引起 的裂缝 另外就是由变形引 起 的裂缝，主要有温度、收缩 、膨胀 、徐变 、不均匀 沉降等。 本文主要分析温度变化对空心楼板裂缝宽度 的影响， 即由于温度变化空心楼板平面内产生收缩拉 力， 在此拉力作用下 ， 其截面的裂缝开展情况并与实 心楼板对 比。 具体分析取空心楼板厚度为5 0 0 m m ， 空心筒外径 为 2 8 0 m m ，如 图 1 所示。简体长度 1 0 0 0 m m ，简体横筒 方 向肋宽 1 0 0 m m ，图2 为单个楼盖区格 内的简体布置 图。 1 开裂分析 为对 比空心楼 板与 实心楼板 的抗裂性 能的差 别，分别取配筋相同的 3 0 0 、5 0 0厚实心楼板进行对 比分析。 对空心楼板 ， 其最容易开裂 的薄弱部位在空 心筒处，以下截取此处截面分析，宽度取钢筋间距 9 0 m m ，见图 3 ，混凝土强度等级均为 C 3 0 。根据施工 现场 的实际情况 ， 并参考有关资料， 假定混凝土温差 为 2 0 。 由于温度变化使混凝土产生温度收缩 ，在此收 缩受到约束限制时， 对实心楼板 ， 其相当于轴心受拉 的受力状态；对空心楼盖，由于空心部分的存在，应 力与应变 比较复杂 ， 为简化计算， 按照轴心受拉状态 进 行 分析 。 巴桂江，男， 深 圳华森建筑 与工程设计 顾问有 限公 司 地址 ： 深圳 市南 山区滨海 之 窗办 公楼六层 邮编： 5 l 8 0 5 4 3 8 图 l 空心楼板 示意图 一J _ 一 _ 一 _ I l l l l l j l l l l l 丌 l 川I 川l l I J I 川l 【 l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l _ 一 一 一 I I V 图 2 单个楼盖区格内的布筒 图 垭 8 _ _ _ _ 田 图 3 受拉分析简化截面 假设钢筋与混凝土之间无粘结滑移 ，当某一截 面 开裂 时 ，截面 拉力全 部 由钢 筋承担 ，此 时： = A ( 1 ) 十 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年 6月 第 3卷 第 2 期 深圳土木与建筑 V 0 L 3 N o 2 J U N 2 0 0 6 混凝土 开裂 时截面拉力： P c =f ,k A ( 2 ) 当混凝土板产生新裂缝时 ， 已开裂截面的钢筋拉 力等于混凝土 开裂时 的截 面拉力 ，得 ： A =( ) A s ( 3 ) 此时，钢筋应力 ( P 为受拉截面配筋率) ： ( ) ： ：丘 ( 4 ) As P 钢 筋 应 变 ： ： ： ( 5 ) Es p Es 可以看 出， 在混凝土强度等级 ， 钢筋强度等级相 同的情况下，钢筋应变与配筋率有反比例关系。 对空心楼板 ，其钢筋应变为 = 3 9 1 1 0 。 对 3 0 0 厚实心楼板，其钢筋应变为 。 = 5 3 3 l 0 。 对 5 0 0厚实心楼板，其钢筋应变为 。 = 8 8 9 l 0一 。 钢筋应变不能直接反映混凝土裂缝的宽度与分布 情况 ，上述 分析 同时也忽 略 了很 多其它 因素的 影 响，但从定性 的角度上可 以看出，空心楼板受拉开 裂时，钢筋应变要小于实心楼板 ，对裂缝 的控制较 为 有 利 。 当楼 板温 差 为 T 时 ，楼 板 内产 生 的应 力 为 ( ) =Et a T ( 6 ) E 一 混凝 土弹性模量 ； 一 混凝土线膨胀系数 。 对空心楼板，计算截面处的拉力为 N = 3 0 0 1 0 4 1 1 0 20 1 9 8 00 =1l 8 8 k N。 对 3 0 0 厚实心楼板，计算截面处的拉力为N z = 3 0 0 1 0 4 1 1 0 2 0 27 00 0 =1 62 0 k N。 对 5 0 0 厚实心楼板 ， 计算截面处的拉力为 N k 。 = 3 0 0 1 04 l 1 0 5 2 0 4 50 00 = 27 0 0 k N。 由于空心楼板混凝土截面积较 实心楼板要 小， 在相 同的温度梯度下 ，空心楼板截面拉力要小于实 心楼 板 。因此 ，在 开裂截面 处 ，空心楼板钢 筋 的 拉应力要小于实心楼板 。 根据 以上得 分析 ，可 以看 出： 首先，空心楼板产生新裂缝时 已开裂截面处钢 筋应变要小于实心楼板 ； 其次，在相同温度梯度下空心楼板截面拉力要 小于实心 楼板 。 由于这两方面因素的原因，空心楼板在温度作 用下的抗裂性能要优于实心楼板 。 2 裂缝宽度计算 根据 混凝土 结构 设计规 范( G B 5 00 1 0 2 0 0 2 )第 8 1 2条公式 8 1 2 1 8 1 2 - 4 ，可以计 算出楼板在荷载效应标准组合下的最大裂缝 宽度， 其 中： ( ) =Nk ( 7 ) 当温差为2 0 C时， N k 取值分别为前文计算的N k 、 N k 2 、N 计算 得： 对空心楼板 ， = 0 2 6衄 。 对 3 0 0厚实心楼板 ， 2 = 0 4 3衄 。 对 5 0 0厚实心楼板， 3 = 0 5 6衄 。 需要说明的是 ，由于 5 0 0厚实心楼板计算中钢 筋应力大于钢筋 的强度标准值 ，明显不太合理 ，故 其应力值修正为 o 3= 3 3 5 M P a 。 根据规范裂缝 公式条文说明，平均裂缝间距 ： ， =1 1 ( 1 9 c +0 0 8 e q ) ( 8 ) pt e 分别对实心楼板和空心楼板计算得：空心楼板 l c ， l 1 0 3 4 m m ；3 0 0厚实心楼板 l c ， 2 1 2 5 8 m m ；5 0 0 厚实心楼板 ， 一 = 1 8 1 9 m m 。 可以看出，空心楼板 的裂缝细而且密 ，实心楼 板的裂缝宽而且疏 。从正常使用 的要求上来讲 ，空 心楼板 的裂缝宽度 能更好地满足规范的要求 。 另外 ，根据王铁梦著 工程结构裂缝控 制中 轴心受拉的裂缝计算方法 ，又同样进行 了裂缝宽度 计算 ，其计算结果也是空心楼板 的裂缝 宽度要小于 实心 楼 板 。 3 有 限元分析 为了更好地了解空心楼板在温度变化时的开裂情 况，借助计算机进 行了有限元分析 ，计算单元采用 非线性实体单元模拟开裂 ，只施加温度荷载 ，没有 竖向荷载 ，空心筒布 置方 向同图 2 。建模 时空心楼 板的空心筒间距进行 了近似处理，以保证有 限元的 3 9 维普资讯 http:/ 2 0 0 6 年 6 月 第 3 卷 第 2 期 深圳土木与建筑 单元划分，所 以形成 的板块不是正 四边形，但是此 误差不会影响计算分析。图 4 47为不同温差下空心 楼板与实心楼板的裂缝分布 。 由于计算假 定楼板四周为固端约束 ，而没有考 虑框架 的侧 向变形而引起 的内力重分布 ，同时，一 些在工程实际中不容易发现的特别细小的裂缝有限元 也能反映出来，所以有 限元计算 的裂缝可能较工程 实际要偏 多。为了更好地 了解裂缝的产生与发展过 程 ，计算时除 了采用温差为 2 0 的情况外，又增加 了温差为 1 5 的情况 。 从计算结果可 以看 出，在板 四周 由于边缘约束 的影 响 ，裂缝 分布较 密 。在板 的 中部 ，形成 双 向 受拉的受力状态 ，下面就此部位来进行 探讨 。 空心楼板裂缝的分布基本在空心管所形成的截面 薄弱部位 ，裂缝 间距较小 ，分布 较密 ，裂缝方 向 为两个方 向均有 ，每条裂缝 的长度 较实心楼 板 要 短 ，基本没有形成 贯通 整个板跨 的通长裂缝 。 实心楼板裂缝 的分布在 1 5 。 C 温差时形成单向裂 缝，原因是板块不是正四边形 ，在 2 0 。 C 温 差时实心 楼板形成双 向裂缝 ，裂缝间距较大 ，分布较疏 ，每 条裂缝的长度较空心楼板要长 ，容易形成 贯通整个 板跨 的通长 裂缝 。 4 0 图 4 空心楼板在温差 1 5 o c时的裂缝分布图 图 5 空心楼板在温差 2 0 。 C时的裂缝分 布图 图 6 实心楼板在温差 1 5 o c时的裂缝分布 图 图 7 实心楼板在温差 2 0 。 C时的裂缝分布 图 由于空心楼板 的裂缝 密，实心楼板 的裂缝疏 ， 空心楼板的裂缝 间距要小于实心楼板 ，而裂缝 的宽 度与裂缝 问距有 正 比例关系 ，反映到裂缝宽度上 ， 空心楼板的裂缝宽度要小于实心楼板。与前面分析 结论 基本 一致 。 4 结语 影响楼板裂缝 宽度的因素很复杂 ，实际工程中 结构楼板往往是拉压弯剪共同作用， 本文只是从轴心 受拉的角度分析 了空心楼板和实心楼板裂缝宽度的区 别，带有一定的局限性；但是，从简单定性分析的角 度 ， 并通过部分工程实践的检验 ， 空心楼板对控制由 温度产生的裂缝有 比较好的效果， 在容易产生温度裂 缝的超长结构上有较好的应用前景。 希望通过本文能 够抛砖引玉 ， 以使对 空心楼板的裂缝研究会有更进一 步发展 。 参考文献 1 混凝土结构 设计 规范 ( G B 5 0 0 1 O - 2 0 0 2 ) 北京：中国建筑工业 出版社 ，2 0 0 2 2 王铁 梦 工程 结构 裂缝控 制 北京： 中国建筑 工业出版社，2 0 0 2 3 王铁成 混凝土结构基本构件 设计原理 北 京： 中国建材工业 出版 社 ， 2 0 0 3 4巴桂江 、刘维 亚混凝 土空心楼 盖在某 工程地 下室设 计中 的应 用上海 ：首 届全 国现浇 混凝 土空心 楼盖 结构 技术交 流会 论文集 ， 20 05一 维普资讯 http:/