大体积混凝土裂缝控制研究.pdf

第 2 8卷第 3期 2 0 1 1 年 9月 土木工程与管理学报 J o u rna l o f Ci v i l E n g i n e e r i n g a n d Ma n a g e me n t Vo 1 2 8 No 3 S e p 2 0 1 1 大体 积混凝土裂缝控制研究 林 一 ， 王 凯 ， 高荣雄 ( 1 贵 阳市城市规划设计研究 院，贵州贵阳5 5 0 0 0 0 ； 2 华中科技大学土木工程与力学学院 ，湖北武 汉4 3 0 0 7 4 ) 摘要： 随着大体积混凝土的广泛应用 ， 混凝土的裂缝控制问题 日益突出。裂缝的产生会导致混凝土的抗渗、 抗腐蚀等性能下降， 影响结构的耐久性。本文分析了大体积混凝土由于水化热而产生的开裂机理 ， 结合实际工 程， 应用 Mi d a s 软件模拟大体积混凝土温废场， 重点解决了混凝土分层浇筑 、 水管冷却及边界条件等因素对其 温控的影响， 监测结果与理论分析较好吻合， 论文研究工作对类似工程具有借鉴作用。 关键词： 大体积混凝土； 裂缝控制； 有限元分析 中图分类号 ： T U 7 5 5 文献标识码 ： A 文章编号 ： 2 0 9 5 - 0 9 8 5 ( 2 0 1 1 ) 0 3 - 0 0 3 5 0 5 大体积混凝 土的应用越来越广泛 ， 随之而来 的 ， 大体积混凝土的裂缝控制问题也越来越引起 设计和施工人员的关注。我国工程界认为当混凝 土结构断面尺寸大于 1 m时， 就称之为大体积混 凝土 。导致大体积混凝 土开裂 的主要 因素有 水化热 、 温差、 混凝土收缩等 ， 其 中水化热是导致 混凝土产生裂缝的主要原因 。 大体积混凝土在浇筑振捣以后 ， 产生大量 的 水化热 ， 由于混凝土表面散热 ， 混凝土温度中心由 向表面递减 ， 温度 的不同导致混凝土 内外变形不 统一， 中心混凝土与边缘混凝土变形不一致， 因而 产生温度应 力 J 。所受 约束 的不 同导致温度 应 力大小也不相同。当混凝土的抗拉应力不能抵抗 温度应力的作用时 ， 结构就会开裂产生 由温度应 力引起 的非荷载裂缝。 大体积混凝土的温度场 从浇筑完成开始 ， 大体积混凝 土就处于一个 动态温度场中， 这个温度场将引起应力 ， 所 以有必 要分析温度场及其变化过程。浇筑刚刚完成 时， 混凝土的初始温度为人模温度 ， 即内部任一点 ， 其 初始温度为人模温度。导致混凝土开裂的温度应 力是混凝土内此点与周 围的温差 ( t )引起混 凝土变形造成 的。混凝土内外温差是水化热的绝 热温升 、 混凝土浇筑 温度 ( t ) 、 混凝土结构物 的散热温降 ( t ) 、 外界温度 ( t ) 的叠加 。 大体积混凝土 内部 中心最高温度 J ： T c ( t )=T ( t )+ r， n ( 1 ) 一 为温降系数 。随混凝 土浇筑块的厚度与 龄期而异。 大体积混凝土外部中心最高温度 J ： ( t )=T s ( t )+7 1 ( t ) ( 2 ) 内外温差 ： A T ( t )=7 1c ( t )一 ( t ) =T ( t )+ 一 ( t ) 一 ( t ) ( 3 ) 在绝热条件下 ， 即水泥与外部没有热交换时 ， 水泥水化热不能散发出去 ， 混凝 土温度将持续升 高。不同的水泥品种和单位体积的水泥用量影响 温度升高规律 ， 温度随时问上升的曲线为 ： ( )=w_ s t ( 1 一 e m t ) ( 4 ) 其 中 为每 1 m 混凝土中的水泥含量 ， k s I n。； g为每 k g 水泥水化热量 ； c 为 比热 ， 一般为 0 9 21 01 0 J k g o C； p为混凝土密度 ， 一般取 2 5 0 0 k g m ； m为与水泥品种有关的系数 ， 一般取 0 30 5。 散热温降 ( t ) 取决 于大体积混凝土 内部此 点散发的热量 Q， 其值取决于此点与周围的温差 ， 根据热传导定律， 可知 ： Q=O L - S T h ( t )一T( t ) ( 5 ) 其 中 O 为对流交换系数 ； S为混凝土表面与 外界环境接触总面积； ( t ) 为混凝土内部此点的 温度 。 收稿 日期 ： 2 0 1 1 - 0 7 1 5 作者简介 ：林一( 1 9 5 7 一 ) ， 男 ， 贵州黔西人 ， 研 究方 向为工业 与民用建筑( E r n a i l ： WY 4 6 6 4 5 9 Z G1 6 3 C O rn) 通 讯作者 ：高荣雄 ( 1 9 6 9 - ) ， 男 ， 福建福安人 ， 副教授 ， 博士 ， 研究方向为桥梁健康评估 与加 固( E m a i l ： b r i d g e l 1 5 1 6 3 c o rn) 3 6 土木工程与管理学报 2 0 1 1年 2 温度场 的求解 2 1 热传导方程 由于水泥水化过程放热的作用 ， 混凝土温度 随时间变化变成具有内热源 的热传导 问题 ， 即在 混凝土区域 内， 非稳定温度场 T ( ， Y ， z ， t ) 必须 满足热传导方程 ： = 口( 窘 + Oy 2 + ) + ( 6 ) 一 = 口 I 十 十 _ I + I O J a 、 a戈 a a 、 式中， 0为导温 系数 ；0为混凝土 的绝热温升 ； 为混凝土龄期( 时间) 。 2 2 热传递初始条件和边界条件 ( 1 ) 初始条件 T ( ， Y ， z ， 0 )=T o ( ， Y ， z ) ( 7 ) ( 2 ) 边界条件 大体积混凝土温度场边界条件可分为四类。 第 1 类为混凝土表面温度 是 已知函数 ： T ( t )= ) ( 8 ) 第 2类为混凝土表面热流量是已知函数 ： A = ) ( 9 ) 第 3类为表面热交换边界 ， 假定混凝土表 面 热流量与混凝土表面温度 7 1 和气温 之差成 正 比 ： 一 A = ( 一r o ) ( 1 0 ) 式 中， 为放热系数 ； 为导热系数；r o 为环境温 度； n为混凝土表面外法线方向。 第 四类边界条件 。当两种 不同的 固体接触 时， 如果接触 良好 ， 则在接触面上温度和热流量都 是连续的， 边界条件如下 ： = T 2 ，- A 1 = ( 1 1 ) 2 3 温度场的求解 根据己知的初始条件和边界条件 ， 求解热传 导方程 ， 就可得到混凝土的温度场 ， 求解方法分为 以下几类 ， m 。 ( 1 ) 理论解法。主要用来求解边界条件 比较 简单的一维温度场 ， 常用的方法有分离变量法和 拉普拉斯变换法。 ( 2 ) 差分解法。差分解法是用差分代替微分 的一种数值解法。常用的有一维差分法和二维差 分法 ， 相 比之下 ， 一维差分法只考虑一个方 向边界 散热 ， 计算得到的温度值用 于计算应力偏于保守 一 点 。 ( 3 ) 有限单元法。把求解 区域分 为有限个单 元 ， 通过变分原理 ， 得到以结点温度为变量的一个 代数方程组 ， 求解方程得到温度值 ， 得到的计算结 果精度较高。 3 工程实例 3 1 工程概 况 本文以福银高速公路九江长 江公 路大桥为 例 ， 利用 M I D A S进行温控有限元分析， 桥梁全长 2 5 4 3公里， 为双塔不等跨混合梁斜拉桥。本次 温控为九江长江公路大桥 B 1合同段主墩承 台、 墩身起步段温控 ， 限于篇幅， 文中仅列出承台计算 的模型与结果 。 3 2 计算边界条件 ( 1 ) 取封底混凝土底面及侧面与基坑支护接 触面温度等于周围土体温度 1 0 C； ( 2 ) 根据热工 计算 ， 承 台侧面放 热系数 ： = 6 6 k c a l m h o C =2 7 5 9 k J m ho C： ( 3 ) 混凝土分层浇筑时 ， 层 间结合面和承台 顶面采用蓄水和草袋覆盖进行保温、 保温养护 ， 则 放热系数 ： = 3 8 k c a l ( m h o C)：1 5 8 8 k J I l l h 。 3 3 温 度控 制措施 大体积混凝土主要考虑抗裂性能好、 兼顾低 热和高强两个方面的要求。 ( 1 ) 在满足混凝土设计强度的前提下 ， 尽量 优化配合 比， 减少水泥用量 ， 确保水化热绝热温升 不超过规定的温控标准。 ( 2 ) 采用双掺技术 ， 掺用 3 0 以上的优质粉 煤灰 ， 采用缓解水化热效果好的外加剂 ， 降低混凝 土 的水化热温升。 ( 3 ) 改善骨料级配 ， 在现场条件许可和保证 质量的前提下 ， 选择较大粒径的骨料及减少砂率。 ( 4 ) 调整施工 时间， 尽 量选择气 温较低 的 日 子施工， 同时尽量安排每一浇筑层的中下部混凝 土在夜间和早上浇筑 ， 表面在 白天浇筑。 ( 5 ) 降低人仓 温度 ， 使 混凝 土的浇筑温度小 于浇筑期的旬平均气温 + 4， 且不大于3 2。 ( 6 ) 采用冷 却水管 ， 冷却水管的水平 间距 和 上下层基本间距 1 m， 水管间的间距误差不 得超 过 5 C lT I 。 ( 7 ) 合理 分层 、 分块浇筑 ， 将 承 台分 2层浇 筑 ， 层厚分别为 ： 4 m， 4 m。 ( 8 ) 分层 浇筑时， 应控制混凝土层 间的浇筑 间歇期 ， 间歇期以小于 1 5天为宜。 第 3期 林一等 ： 大体积混凝土裂缝控制研究 3 9 5 O 4 5 4 O 3 5 3 0 善z s 日2 0 l 5 l 0 5 图 1 4 上层混凝土水化热监测结果 ( 3 ) 承台内部最高温度小于 6 0 ， 满足要求。 ( 4 ) 承台各层断面内表温差一般小于 5 ， 最 大内表温差低于 2 5 ， 满足要求 ， 控制温度应力 和温度变形效果好 ， 混凝土收缩 比较小 ， 产生拉应 力小 ， 承台没有出现温度裂缝。 ( 5 ) 承台温度 23天 内连续下 降小于 6 9 ， 降温速率小于 3 d ， 满足要求 。 在承台混凝土施工 中， 通过设置冷却 水管通 水冷却 ， 并依靠优化混凝土配合 比， 很大程度上降 低了混凝土的水化温升 ， 且提 高泵送施工性能和 耐久性能， 整个承台混凝土符合设计要求 ， 没有出 现温度裂缝 ， 温控效果良好。 1 5 6 7 8 9 1 0 参考文献 王 辉 大体积混凝土结构温度应力有限元分析 D 西安 ： 西安建筑科技大学 ， 2 0 1 0 朱 伯 芳 大 体 积 混 凝 土 的 温度 应 力 和 温 度 控 制 M 北京： 中国电力出版社， 1 9 9 8 王铁梦 工程结构裂缝控制 M 北京： 中国建筑工 业 出版社 ， 1 9 9 7 赵国藩等 钢筋混凝土结构的裂缝控制 M 北京 ： 海洋 出版社 ， 1 9 9 9 许德胜 大体积混凝土水化反应温度场与应力场分 析 D 杭州 ： 浙江大学， 2 0 0 5 江滔 大体积混凝土施工的仿真分析 J 福建： 闽西职业大学学报 ， 2 0 0 5 ， ( 1 ) ： 1 0 5 1 0 8 李彬彬 大体积混凝土温度有限元分析 D 西安： 西安建筑科技大学， 2 0 0 7 屈涛 大体积混凝土温度应力及裂缝扩展的研究 D 武汉： 武汉理工大学 ， 2 0 0 7 Z h a n g Z i mi n g， G a r g a V K T e mp e r a t u r e a n d t e mp e r a t u r e i n d u c e d s t r e s s e s f o r R C C d a ms J ， D a m E n g i n e e fi n g 1 9 9 6 ， 7 ( 2 ) ： 1 2 9 1 5 4 朱伯芳 混凝土绝热温升的新计算模型与反分析 J 水利发电学报， 2 0 0 3 ， 2 9 ( 4 ) ： 2 9 3 2 Cr a c k Co n t r o l o f M a s s i v e Co nc r e t e St r uc t ur e L I N Y i ，WANG Ka i ，GAO Ro n g Xi o n g ( 1 G u i y a n g U r b a n P l a n n i n g a n d D e s i g n R e s e a r c h I n s t i t u t e ， G u i z h o u 5 5 0 0 0 0， C h i n a ； 2S c h o o l o f Ci v i l Eng i n e e r i ng a n d Me c h a n i c s，Hu a z h o ng Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d Te c h n o l o g y， Wu h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ) Ab s t r a c t ：W i t h t h e w i d e l y a p p l i c a t i o n o f t h e ma s s i v e c o n c r e t e ，t h e p r o b l e m o f h o w t o c o n t r o l t h e c r a c k s o f t h e ma s s i v e c o n c r e t e h a v e b e c o me mo r e a n d mo r e o u t s t a n d i n g Cr a c ks a r e a l wa y s b a d f o r t h e c o nc r e t e g i mp e r me a b i l i t y a n d a n t i c o r r o s i o n p e r f o r ma n c e Th i s e s s a y d e s c ribe s t h e me c h a n i s m o f c r a c k i n g i n ma s s i v e c o n c r e t e c o m b i n e d w i t h t h e a c t u a l p r o j e c t ， u s i n g MI D A S s o f t w a r e t o s i m u l a t e t h e t e m p e r a t u r e fi e l d o f m a s s i v e c o n c r e t e ， V i a t h e s i mu l a t i o n o f h i e r a r c hi c a l a n d b l o c k i n g，c o o l i n g p i p e s t h e b o u n da r y c o n d i t i o n s a n d t h e He a t o f h y d r a t i o n o f c e me n t o f t h e c o n c r e t e， f o c u s e d o n s o l v i n g t h e i mp a c t t o t e mp e r a t u r e c o n t r o l l i n g t o wa r d s t h e s e f a c t o r s I n t h i s p r 0 j e c t t h e m o n i t o ri n g r e s u l t s i s i n g o o d a g r e e m e n t w i t h t h e o r e t i c a l a n a l y s i s a l s o i t p r o v i d e a r e f e r e n c e t o t h e c o n s t r u c t i o n o f o t h e r s i mi l a r p r o j e c t s Ke y wor ds：ma s s i v e c o n c r e t e；c o n t r o l t he c r a c k s；fin i t e e l e me n t a n a l y s i s 钟 帅 m 0