超长混凝土框架结构硬化阶段裂缝控制因素.pdf

2 0 1 4 年 第 4期 (总 第 2 9 4 期 ) N u mb e r 4 i n2 0 1 4 ( T o t a 1 No ．2 9 4) 混 凝 土 Co n c r e t e 实用技术 P RACTI CAL TECHN0LOGY d o i ： 1 0 ． 3 9 6 9 ~ ． i s s n ． 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ． 2 0 1 4 ． 0 4 ． 0 4 3 超长混凝土框架结构硬化阶段裂缝控制因素 李东 ，伏雷达 ，陈华娟 ( 上海大学 土木工程系 ，上海 2 0 0 0 7 2 ) 摘要 ： 以一典型的超长钢筋混凝土框架结构工程实例为基础 ， 通过控制结构总长度， 采用黏弹性理论 ， 利用通用有限元分析 软件 A N S YS 进行热一 结构耦合分析 ， 揭示结构浇筑过程中总长度对温度应力和变形特征的影响， 可供实际工程参考。 关键词 ： 超长混凝土结构 ；硬化阶段；温度应力 ；黏弹性理论 中图分类号 ： T U 5 2 8 ． 0 6 4 文献标志码 ： A 文章编号： 1 0 0 2 — 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 4 — 0 1 5 5 — 0 4 Su p e r l o n g c o n c r e t e f r a m e 。 S c r a c k i n g c o n t r o l f a c t or s b e t w e e n h a r d e n i n g s t a g e L I Do n g ， F UL e i d a ， C H E NHu a j u a n ( D e p a r t me n t o f C i v i l E n g i n e e r i n g ， S h a n g h a i U n i v e r s i t y ， S h a n gha i 2 0 0 0 7 2 ， C h i n a ) Abs t r a ct ： Ba s e d o n a t y pi c a l e x a mp l e o f s u pe r l o n g c o n c r e t e f r a me s t r u c t me e n g i n e e r i ng， b y c ha n gi n g t h e t o t a l l e ng t h o f t h e s t r u c t u r e， us e s ANS YS wh i c h i s t h e g e n e r a l — p ur po s e fin i t e e l e me n t a n a l y s i s s oft wa r e t o d o t he r ma l s t r u c t ur e c o u pl i ng an a l ys i s o n v i s c o e l a s t i c t h e o r y， Th e r e s u l t f o r pr a c t i c a l e ng i n e e r i ng r e f e r e n c e r e ve a l s the t o t a l l e n g t h S i mp a c t o n t h e t e mp e r a t u r e s t r e s s an d d e f orm a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s i n po u r i ng p r o c e s s ． K e y w o r d s ： s u p e r - l o n g c o n c r e t e s t ruc t u r e ； h a r d e n i n g s t a g e ； t h e rm a l s t r e s s ； v i s c o p l a s t i c i t y t h e o ry 0 引 言 随着经济的发展 ， 我国大型结构需求量逐渐增长。 其 中大部分基于功 能和美学需求往往不设置 伸缩缝 ， 从而形 成 了超长结构。 超长混凝土结构在浇筑过程中 ， 在水化热 、 湿度和收缩变形等 的作用下 ， 因为结构 的内外 约束 ， 产生 的温度应力不容小觑。 近年来 ， 由于有 限元 程序 的发展 ， 温度应力方 面的研 究也逐渐深人。 黄元元等利用 E T A BS 计算对比分析平面 形状分别为矩形 、 圆形 、 环形 、 圆弧形 的超 长框架结构 中温 度应力 的分布规律[ 1 ] 。 李东通过黏弹性有限元程序 Ma s s i v e 研 究了大体积混凝土不 同人模温度和 内外温差不 同时温 度应力的变化 ， 并对 比研究 了不 同保温层 和模板对温度应 力 的影 响[ ； 万小妹等通 过 A NS YS 建立 三维实体模 型 ， 得 到超长钢筋混凝 土框架结构温度应力分布特点并研究梁 、 柱 、 板的截面尺寸、 结构纵向长度和内外温差值等因素的 影 响 本研究以实 际超长混凝 土框架结构为基础 ， 通过大型 有限元分析软件A N S Y S建立实体模型， 考虑混凝土材料非 线 性 ， 模 拟混凝土浇筑养护过程 ， 研究温度场 和应力 场的 变化并给出建议 。 1 工 程 概 况 本工程为上海市的某大型机械工业厂房 ， 为三层钢筋 收稿 日期 ： 2 0 1 3 — 1 0 — 1 3 混凝 土框架结 构。 结构平 面尺寸为 6 6 mx l 8 n l 。 以此工程 为基础， 增选了其余总长度进行对比， 结构尺寸和总长选 取如表 1 所示 。 表 1 纵 向结构长度变化的模型尺寸 M 1 3 6 M2 5 4 M3 66 M4 8 4 3 00 x 7 00 6 0 0~ 6 0 0 7 3 0 0 x 7 00 6 0 0 x6 0 0 7 3 0 0 x 7 00 6 0 0 x6 0 0 7 3 00 x 7 00 6 0 0 ~6 0 0 7 该工程于 4 月份施工 ， 采用强度等级为 C 3 0 的混凝土。 考虑硬化阶段混凝土材料非线性 ， 弹性模量 ： E( ) = E ／ ( 5 0 0 + r ) ( 1 ) 式 中 ——最终 弹性模 量 ， E 0 = 3 ~ 1 0 N ／ m ； —— 养 护温度 ； r ——龄期 。 与空气接触的梁上表面， 采用固体与流体接触的第三 类边界传热条件 ， 即假定经过混凝土表面的热流量与混凝 土表面温度与气温之差呈正 比 ， 设定表面放热系数 。 混凝 土与木模板接触为第 四类边界传热条件 ， 即假设两者接触 良好 ， 接触面上 的温度相同 ， 沿接触面的热流密度相等 。 梁 上表面养护条件为塑料薄膜。 混凝土养护过程中， 采用木 模板支承， 考虑浇筑过程中混凝土与模板之间摩擦， 木模 板厚度为 2 c m。 l 5 5 9 9 9 9 3 3 3 3 6 6 6 6 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 2 主要计算参数 2 数 值 模 拟 结构的梁板柱构件均选用 8 节点 的 S o l i d 5 三维耦合 场单元。 木模板与混凝土表面相互分离 ， 相互碰撞并相切 ， 采用柔体一 柔体接触 分析 。 目标面采用 T A R G E 1 7 0 单元模 拟 ， 接触面采用 C O N T A1 7 4单元模拟 ， 采用较小 的荷载步 和精确的加载历史 。 为了真实模拟混凝土浇筑完毕后 的养 护过程 ， 分析中通过生死单元和重叠单元来实现。 在本工程 中同层柱 、 梁和板混凝土采用一次连续浇筑 ， 混凝土养护 时间起点相 同。 施工 的养护周期为 7 d ， 设定模型计算时间 为 2 8 d 。 其 中 8 4 m模型如图 1 所示 。 图 1 A NSY S底 层框 架买体 模型 3 计算结果与分析 由于篇幅限制 ， 给出了部分模 型端柱柱顶节点变形 曲 线和梁部分截面温度场和温度应 力的云图及节点应力变 化曲线 。 其 中随龄期变化的图形呈现波动趋势变化 ， 是因为 网格 划分 比较粗 、 荷载步的设置 比较粗糙 ， 在养护时间结 束后 的时刻荷载变化较大 ， 加载历史在此变化比较大。 图 2 梁的温度云图随龄期变化 从 图 2温度云 图可以看 出 ： 从 梁截 面的上下方 向来 看， 中部温度高， 两端温度低 ； 从梁截面的左右方向看， 基 本没有 明确的温度等值线 的变化 。 梁截面的截面尺寸不满 足大体 积混凝土 的要求 ， 混凝土生热后导 热的速率将 较 快 ， 特别是侧面方向的导热更快 ， 故导致如 图所分析出的 1 5 6 温度场分布状态 。 从 M1 ～ M4 模型各个截面的温度云图分布可知 ， 温度随 着各个模型的变化不明显 。 在不同的模型中， 截面的最大的 里表温差出现的时间略有不同， 里表的最大温差略有不同 ， 均在 1 0 ． 8 ℃左右。 1 0 O． 5 O 一0 ． 5 2—1 ．0 一 1 ． 5 ： 一 3． O - 3 ． 5 —4． 0 1 ． 6 0． 8 O 一 O ． 8 = 一1 ． 6 一2． 4 蛰 -4 ． 8 — 5． 6 — 6． 4 一： 量 ： ： ： 一 6 ： O ． 8 0． 6 0 ． 4 0 ．2 宝0 — 0 ．2 ： 一0． 8 — 1 ． 0 一 1 ． 2 TI M E ( d ) M4 模 型 图 3 M1 一 M 4模型端柱柱顶节点侧移 随龄期的变化 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m +上 表面最 大受压 +上 表面最 大受拉 +下 表面 节点最大 受压 +下表面节点最大受拉 一2 0 0 0 截面所在纵向方向的位置／ m ( a ) M1 模 型 +上表面节点最大受压 +上 表 面节点最 大受拉 +中间节 点最大 受压 +中间节点最大受拉 +下 表面节 点最 大受压 O 1 0 l 5 2 O 2 5 3 O 龄期 ， d f b ) M2 模 型 +上表面节点最大受压 +上表面节点最大受拉 +中间节点最大受压 +中间节点最大受拉 截面所在纵向方向的位置 ／ m ( c ) M3 模型 +上 表面 节点最 大受压 +上表面节点最大受拉 +中间节点最大受压 +中间节点最大受拉 +下 表面节 点最 大受压 截面所在纵向方向的位置， m ( d ) M4 模 型 图4 M1 一 M 4模型截面节点正应力随该截面所在 纵向方向位置的变化 表 3 M1 一 M4 模型端柱柱顶节点侧移 从 MI ~ M4模型端柱柱顶节点侧移 随龄期 的变化情况 可看出， 柱顶节点的变化趋势遵循先收缩后膨胀的趋势， M1 和 M2 模 型 在 3 - 3 d均达到 峰值 拐点 ， M3和 M4模 型在 3 ． 9 d 达到峰值拐点。 可以推测， 柱刚度的变化对柱顶变形有 一 定的影响。 随着结构纵 向长度的增大 ， 端部柱节点的纵 向的最大 位移也增大， 这是因为随结构纵向长度的增大， 整体结构 的刚度越大 ， 约束 了板和梁的变形 ， 使得 板和梁 中产生 了 比较大的约束力 ， 即梁板对柱的约束也较大， 从而导致柱 ( a ) 7 d 2 0 0 0 1 6 0 0 1 2 0 0 8 0 0 4 0 0 _ 4 0 o 0 —8 0 0 —1 2 0 0 —1 6 0 0 2 0 0 0 图 5 梁截面应力云图 ( b ) 2 8 d TI M E ( a ) 上表面节点 0 4 8 1 2 l 6 2 0 2 4 2 8 TI M E ( b ) 中间节点 0 4 8 1 2 l 6 2 0 2 4 28 T I M E ( c ) 下表面节点 图6 M3模型跨中截面纵向正应力随龄期的变化曲线 l 57 0 O 0 O O 0 0 0 ∞ 如 ∞ 如 如 ∞ 如 ，‘1 1 —1 1 一 ／ N 、 匣番 O O 0 O 0 O O O 0 O O 0 O 0 0 O O O O 0 O 4 O 6 2 8 4 4 8 2 6 2 2 I 1 一 一1 l f 1 《 O 0 0 O 0 0 O O O O O O O 0 O O 0 O 0 O O 4 O 6 2 8 4 4 8 2 6 2 2 1 l 一 一l 1 f 1 《 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 表 4 M1 ～ M4模型纵向正应力最大值 的纵向变形增大。 从图 4可知 ： 从 M1 - M4 ~型节点纵 向正应力随该节点 所在纵 向方 向的位置变化 情况 ， 及 图 6中可看出 ： 在所取 对称结构的一半结构中 ： 同为上表面和下表面位置处 的节 点最大受拉正应力和最大受压正应力 的绝对值随所在位 置 的增大而不断增大 ； 同为中间节点 的最大受拉正应力和 最大受压正应力的绝对值 的变化并不是单一的递增的趋 势 ； 在所选取的分析对象 中， 在边跨 的变化 明显 ， 在中间跨 的变化甚至有下降的趋势。 即对柱子轴力影响在纵向结构 长度方向端部几跨 比较大 ， 在中间几跨几乎没什 么很大变 化 ， 结构纵向长度增大 ， 梁板整体 的轴力增大比较明显 。 上述分 析结果显示 ： 按 照弹性分 析 ， 梁 的上 、 下表 面 跨 中截 面 的正 应力 均 超过 C 3 0混凝 土 的抗 拉 强度 ( 1 ． 4 3 N ／ n u n ) ， 故混凝土均在养护 阶段开裂 ， 这与实际现场 监测的结果在一定程度不符合 ； 本研究通过后期徐变松弛 计算嘲 ， 得 出的结果基本上符合实际 ， 且最大拉应力呈增长 趋势 ， 其 中 M2 ～ M4 模型最大拉应力 出现的时间在 7 ～ 9 d 左 右 ， 与李东的研究结果[2 1基本相符 ； 当总长度接近 5 5 m 时 ， 最大拉应力也接近混凝土抗拉强度设计值 ， 说 明了规 范[ 6 1 规定 5 5 r 13 设缝 是合理 的， 且有 一定 的安全储 备 ； 通过 计 算 ， M3 模型的最大拉应力基本上等于混凝土的抗拉强度 ， 则可确定 ， 超长混凝土框架结构硬化成型阶段总长度限值 在 6 6 r n 之 内。 4结 论 ( 1 ) 结构布置与本工程相似 的前提下 ， 超长混凝土框 架结构硬化成型阶段总长度限值在 6 6 r n 之 内。 ( 2 ) 规范[6 1 中设置伸缩缝的最大结构长度 ( 5 5 IX 1 ) 的规 定有其合理性 ， 且有一定 的安全储备 ， 通过设 置伸缩缝 可 以有效减小 结构 的长度 ， 从而达到减少温度应力 ， 同时可 减小柱子的最大侧移 。 ( 3 ) 随着结构总长度的增大 ， 梁截面 的温度沿纵 向变 化不明显 ， 里表最大温差 都在 1 0 ． 8℃左右 ； 中间柱子柱顶 侧移变化不是很 明显 ， 但是端柱节点位移呈现先收缩后膨 胀的趋势 。 ( 4 ) 随着结构总长度 增大 ， 梁 内最大拉应力也呈增 大 趋势， 但是按照弹性理论计算出的梁内应力， 不满足实际 情况。 说 明超长混凝土结构浇筑阶段考虑徐变松弛效应有 其必要性。 ( 5 ) 梁截面上下表面处的节点最 大受拉正应力 和最大 受压正应力的绝对值随所在纵向位置的增 大而不断增大 ， 但是中间处节点变化不 明显 ； 表明梁上下表 面裂缝控制尤 为重要 参考文献 ： 【 1 】黄元元． 超长框架结构不同平面形状温度应力的探讨【 J J ． 广东土 木与建筑， 2 0 1 0 ( 2 ) ： 1 9 — 2 1 ． 【 2 】李东． 混凝土水化热瞬态温度场数值计算过程中的水化放热规 律及水化速率问题 ． 西安建筑科技大学学报， 1 9 9 9 ， 3 1 ( 3 ) ： 2 7 7 — 2 7 9 ． [ 3 】万小妹． 超长钢筋混凝土框架结构温度 ( 收缩) 应力非线性分析 与设计对策研究【 D ] ． 南昌 ： 南昌大学， 2 0 1 1 ． 【 4 ]王铁梦． 工程结构裂缝控制[ M】 E 京： 中国建筑工业出版社 ， 1 9 9 7． [ 5 ]朱伯芳．大体积混凝土温度应力与温度控制【 M】 E 京 ： 中国电力 出版社， 1 9 9 9 ． 【 6 1 G B 5 0 0 1 0 - - - 2 0 1 0 ， 混凝土结构设计f s 1 ．北京： 中国建筑工业出版 社 。 2 0 1 0 ． 作者简介 ： 联系地址 ： 联系电话 ： 李东( 1 9 6 3 一 ) ， 男， 博士， 副教授。 上海市 闸北区广延路 1 4 0号 上海 大学土木工程系 ( 2 0 0 0 7 2 ) 1 51 21 0 0 3 3 0 6 《 《t ． s s — 0 《f 置 重 量 蓄 I 盟 上海 首 批预制 装 配式 保障 房 可 有效 抵 御7 级地 震 上海正采用与土地 出让 “ 捆绑 ” 的方式推进预制装配式住宅的发展 ， 提高建筑施工的节能环保水平 。在浦江镇保障房 基地， 由上海城建投建的装配式住宅项 目——浦江瑞和新城首批住宅将于今年 6月竣工 ， 其预制率达 5 0 ％～ 7 0 ％， 为目前 国内之最， 也是上海首批预制装配式保障房， 可有效抵御 7 级地震。 上海城建浦江装配式住宅项目 一期工程， 总建筑面积 5 ． 1 5 万 m ， 包括 1 栋 1 4 层住宅和4 栋 1 8 层住宅， 全部为 6 5 ～ 7 0 m z 的二室户型。 其中 l 栋 l 4 层住宅预制率最高， 达到了7 0 ％， 其余为 5 0 ％。 这批保障房共计有 6 3 2 套 ， 施工时每一块预制构 件都有信息记录单， 详细记录了构件的设计明细、 用料及现场牢度、 精度测试结果。这张独一无二的“ 身份证” 将伴随该构 件一生， 任何时候、 任何地点， 只要输入相应代码， 就可追溯至某块墙板、 楼梯的生产厂家、 设计师甚至建造工人， 为建筑产 品质量的可溯可控提供保障。 项目负责人钱林介绍， 为提升建筑防震性能 在墙体与柱子之间、 横梁与柱子使用预留的钢筋进行连接， 遇到地震时， 这种结构允许墙板在一定范围内晃动， 避免“ 硬碰硬” 。根据第三方试验， 这种可滑动的缓冲设计将可有效抵御 7 级地震。 目前由于数量有限， 预制装配式住宅每平方米成本比传统方式要高出2 0 0 - 4 0 0 元。 “ 我们建造的装配式住宅都是高层 建筑， 建筑面积大， 预制构件的模板使用次数高， 以降低成本。” 上海万科房地产有限公司的相关负责人昨天告诉记者， 上 海已有的装配式建筑还仅限于住宅， 为了进一步推广， 正着手建造装配式的商办楼。 ( 上海建设简讯) 1 5 R 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m