大体积混凝土梁早期承载力计算.pdf

周禹鑫等： 大体积混凝土梁早期承载力计算 7 5 大体 积混凝 土梁 早期 承载 力计 算 周禹鑫 ， 许丽佳 ， 张云峰 ， 于德湖。 ， 罗淑芳 ( 1 ．大庆油 田工程建设有 限公 司化建公 司。 黑龙江大庆1 6 3 0 0 0； 2 ．东北石油大学黑龙江省防灾减灾及防护工程重点实验室 ． 黑龙江大庆1 6 3 3 1 8 ； 3 ．青岛理工大学土木建筑工程学院 。 山东青岛2 6 6 0 3 3； 4 ．大庆市石 油工 程建设有 限公 司 ． 黑龙江大庆1 6 3 31 8) 【 摘要】 利用已有对大体积混凝土温度场、 强度场的计算理论 ， 对混凝土大梁的承载力进行深入研究。通 过计算大体积混凝土梁早期承载力随龄期的变化规律， 准确掌握各龄期的承载力值。通过确定相关的极限承载 力标准， 得到符合承载力要求的拆模龄期 ， 为大体积混凝土梁的提前拆模提供依据。 【 关键词】 大体积混凝土梁； 早期承载力； 温度场； 强度场； 入模温度； 环境温度 【 中图分类号】 T U 3 7 5 ． 1 【 文献标识码】 B 【 文章编号】 1 0 0 1 — 6 8 6 4 ( 2 0 1 3 ) 0 6— 0 0 7 5 — 0 3 随着现代高层建筑的飞速发展， 大体积混凝土梁在现 代建筑中大量应用。由于大体积混凝土水化热大且不易散 失， 导致混凝土构件内外温差大。内外温差引起温度应力， 从而产生温度裂缝。国内外学者对大体积混凝土构件已有 较多研究 ， 但其主要集中于大体积混凝土的温度场、 应力场 以及温度裂缝等方面。目前， 也有少数学者开始对大体积 混凝土的截面强度进行研究， 通过实验室变温养护设备对 混凝土试块进行变温养护， 得 出当混凝土的时间 一温度历 程曲线不同时， 其强度发展也不同的结论 J 。 本文利用已有对大体积混凝土构件研究成果， 计算大 体积混凝土梁的温度场、 强度场。通过对强度场离散得到 简化的梁承载力模型， 利用简化承载力计算模型计算不同 温度下各龄期大梁的极限抗弯、 抗剪承载力以及相对受压 区高度。利用承载力评价标准， 评价判断承载力是否满足 要求， 从而估算大梁拆模时间。 1 基本工况 本文以 1 ． 4 m2 ． 8 m的大粱为例， 配置 C 4 0混凝土， 其 骨料配合比及材料特性见文献[ 4 ] 。环境温度指浇筑施工 时的环境大气温度， 入模温度指混凝土进入模板时混凝土 自身的温度。混凝土的入模温度和环境温度将直接影响构 件的强度发展。如果没有采取措施降低或提高混凝土骨料 温度， 混凝土的运距不大 ， 搅拌完成很快入摸， 则混凝土人 模温度与环境温度基本相同。有时混凝土搅拌时间过长， 混凝土罐车在太阳下暴晒一段时间， 混凝土入模温度可能 会高于环境温度。当骨料进行处理后， 其温度值能控制在 一 定范围内， 可 以假定混凝土入模温度保持不变。根据 G B 5 0 1 6 4— 9 2 ( 混凝土质量控制标准》 第 4 ． 3 ． 6条规定 ： “ 混 凝土拌合物运至浇筑地点时的温度最高不宜超过 3 5 最低 不宜低于5 ~ C。 ” 结合以上要求， 本文对大体积混凝土梁考虑 以下三种工况 ： 0● 00 ● 0o● oo ● 0o● o0 ●o o● o0 ●o o● 0o● 0 o● 00● o0 ●0 0●o 0● o0 ●o o● oo● 0 o● oo ●o0 ● 00● 0 0● 00● 00 ● 。o． 0o ． o。． o口◆ bo ● 0o● oo ●o o● oo ● 0o● 0o ●0 0●0 0● 0O ●00 ●0 o● oo● oo ● oo● 00 ● 0o● 0 5结语 ( 1 ) 内嵌墙板对结构的刚度有较大的提高， 使结构的 自振周期减小。 ( 2 ) 布置内嵌墙板后， 结构的振型将会改变。 ( 3 ) 在采用 H型钢柱的多层内嵌墙板钢框架结构的 初步设计中， 结构的基本 自振周期可按《 高层民用建筑钢结 构技术规程》 中建议的经验公式估算。 ( 4 ) 内嵌墙板可明显减小结构在地震时的层间侧移， 因此在工程设计中应考虑内嵌墙板的抗侧作用。 参考文献 [ 1 ] 刘玉妹， 李国强 ． 带填充墙钢框架结构抗侧力性能试验及理 论研究 [ J ] ． 建筑结构学报 ， 2 0 0 5， 2 6 ( 3 )： 7 8—8 4 ． [ 2 ] 李国华， 郁银泉， 顾强． 钢框架内填混凝土墙结构体系有限元 分析[ J ] ． 四川建筑科学研究， 2 0 0 7 。 3 3 ( 5 ) ： l 7 — 2 O ． [ 3 ] 李 国强 ， 李欣 ， 孙飞飞 ， 等 ．钢结构 住宅体 系墙板 及墙板 节点 [ 4 ] [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9] [ 1 O] 足尺模型振动台试验研究[ J ] ． 地震工程与工程振动， 2 0 0 3 ， 2 3 ( 1 ) ： 6 3—7 0 ． 刘 肖凡 ， 彭少民 ， 李篙峰 ．钢框 架砌体围护体系试验研究 及有 限元分析[ J ] ． 武汉理工大学学报， 2 0 0 4 ， 2 6 ( 2 2 ) ： 5 2— 5 6 ． Ho l me s M．S t e e l F r a me s wi t h B r i c h wo r k a n d Co n c r e t e I n fill i n g [ J ] ． P r o c e e d i n g s o f t h e I n s t i t u t i o n of C i v i l E n g i n e e r s ， 1 9 6 1 ， 1 9 ( 6 5 0 1 ) ： 4 8— 6 0 ． 高松 召 ．基 于等效斜撑模型 的内嵌墙 板钢框 架抗震性能 研究 [ D] ．哈尔滨 ： 哈尔滨工业大学 ， 2 0 1 1 ． G B 5 0 0 0 9—2 0 1 0， 建筑结构荷 载规范 [ s ] ． G B 5 0 0 1 1—2 0 1 0， 建筑抗震设计 规范 [ s ] ． C E C S 2 6 1 ： 2 0 0 9 ， 钢结构住宅设计规范[ s ] ． J G J 9 9—9 8 ， 高层 民用建筑钢结构技术规程 [ s ] ． [ 收稿 日期] 2 0 1 3- 0 1一I 6 [ 作者简介] 杨晓杰( 1 9 7 6一 ) ， 女，内蒙古赤峰人， 工程师， 硕 士，从事钢结构方面的工作。 7 6 低温建筑技术 2 0 1 3年第 6期 ( 总第 1 8 0期 ) 工况 1 ： 取环境 温度 与 人模 温度 相 同 ， 其 变化 范 围为 5 ～ 3 5 。 工况 2 ： 入模 温度高出环境温 度 5 q C， 入模 温度 取 5 ～ 3 5 ℃ 。 工况 3 ： 人模温度保持 1 5 ~ ( 2 不变 ， 环境温度取 5～ 3 5 ％。 2温度场模拟与强度场计算 2 ． 1 温度场模拟 根据文献 4对大体积混凝土梁温度场的模拟方法模拟 大体积混凝土梁温度场 ， 得到不同工况下大体积混凝土梁 的最高温度和最大温差随入模温度、 环境温度的变化规律 如图 1 、 图2所示。 赠 追 堪 环境温度， ℃ 图1混凝土梁最高温度曲线 环境温度， ℃ 图2 混凝土内外最大温差曲线 从图中可看出， 各工况下混凝土梁中心点的最高温度 随环境温度的增大而线性增大； 当混凝土与外界的温差保 持不变时， 其中心点与表面点的最大温差也保持不变； 工况 3条件下， 随着环境温度的增大， 其最大温差减小， 这是由于 混凝土表面与环境温差减小， 放热速率减慢， 内外温差减 小； 环境温度 5 ℃， 入模温度 1 5 ℃时， 混凝土梁 内外温差 2 6 ． 5 9 ℃， 略大于 2 5 ％， 其余工况内外温差均小于2 5 ℃， 满足 要求 。 篓 环境温度， ℃ 图3 中心点2 8 d 强度百分数随温度变化曲线 环境温度， ℃ 图4 中心点达到1 0 0 ％强度所用时闻随温度变化 曲线 2 ． 2 强度计算 根据文献[ 2 ] 对大体积混凝土梁强度的计算方法计算 大体积混凝土梁各点强度， 建立各龄期强度场分布图。由 图3可知， 当环境温度与人模温度均不小于5 ℃ ， 龄期为 2 8 d 时中心点强度百分数均大于 1 0 0 ％， 这与混凝土冬季施工条 例所规定内容相同。从图4可看出， 各工况下混凝土中心点 达到 1 0 0 ％强度所用时间随环境温度的变化曲线中均有一 个明显的拐点。当小于此环境温度时 ， 随环境温度的增大， 其时间降低明显； 当大于此环境温度时， 曲线变化平缓。 3 抗弯极限承载力计算 3 ． 1 建立承载力计算简化模型 对大体积混凝土梁进行抗弯承载力分析， 假定钢筋混 凝土构件正截面受弯承载力计算满足四项基本假定 】 。当 强度等级为 C 5 0及以下时 ， =0 ． 0 0 2， s =0 ． 0 0 3 3 。又由 于构件满足平截面假定 ， 当受压区边缘达应变值达到极 限 应变 8 时， 其下一段范围内混凝土的应变均在 以上， 该 范围内混凝土应力均能达到强度极 限值。构件破坏时， 截 面应力如图5所示， 用等效应力图形代替混凝土应力图形如 图 6所示 。 图5截面应力图 图6等效矩形应力图 图7受弯承载力计算简图 根据等效应力图形可以得到大体积混凝土梁的抗弯承 载力简化计算模型， 如图7所示。由于大体积混凝土极限状 态下相对受压区高度较大， 因此假设换算受压区高度 ≥n 。 + a ， 利用力与力矩平衡原理得到大体积混凝土梁的抗弯承 ％／ 糕 骥 、 榭赠 略 { = = 周禹鑫等： 大体积混凝土梁早期承载力计算 载力计算公式， 如式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) 所示： f , A 。 - f , a + A = 。 ( b 一 2 b 。 ) 口 。 + ( b 一 2 b 一 2 6 2 ) 口 2 + L ， ( b一2 6 1—2 6 2 ) ( —d 1一口 2 )+ l 2 b 1 + 2 b 2 ( —a 1 ) ( 1 ) M = A ： ( h o — o ) + a 。 ( b 一 2 b 。 ) o ( h 。 一 O ,1 ／ 2 ) 十 ( b - 2 b l -2 b 2 )口 2 ( h o一Ⅱ l 一口 2 ／ 2)+ ( b 一2 6 l 一2 6 2 ) ( --t l I 一 ) ( k --i l l --a 2一 )+ d o 。． 2 b l x ( ^ 。一 x ／ 2 )+t g ． 2 b ： ( —n 。 ) ( - 口 l 一 ) ( 2 ) 3 ． 2 极限承载力计算 瑶 乏 躁 名 环境温度， ℃ 图8 工况 1 满足抗弯承载力的龄期曲线 环境温度I T ． 图9工况i 满足抗弯承载力 的龄期 曲线图 环境温度， ℃ 图l 0工况3 满足抗弯承载力的龄期曲 力设计值所需的时间越短。图中数据显示 ， 当温度越高， 混 凝土大梁达到9 5 ％设计承载力和 1 0 0 ％设计承载力直接时 间差越小 ， 这说明承载力增 长速度 加快 ， 这是 由于 混凝 土强 度发展加快导致。从图中曲线的平缓可以看出， 当混凝土的 环境温度低于某一温度时， 曲线较陡， 增大环境温度龄期明 显降低 ； 当高于这一温度时， 曲线平缓 ， 增大环境温度龄期无 明显 变化 。 4结语 通过对青岛国际会展中心大体积混凝土梁的温度场、 强 度场、 承载力研究， 可以得出以下几点结论 ： ( 1 ) 在不同工况下， 截面尺寸为 1 ． 4 m 2 ． 8 m的混凝 土大梁， 其中心部位温度最高， 最高温度随环境温度的增大 而增大， 但混凝土梁内外温差均小于 2 5 ℃， 满足裂缝控制的 要求 。 ( 2 ) 利用成熟度理论对大体积混凝土梁各点强度计 算可知， 当环境温度与入模温度均不小于 5 ~ C时， 混凝土中 心点的强度百分数均大于 1 0 0 ％； 各工况下混凝土中心点达 到 1 0 0 ％强度所用时间随环境温度的变化曲线中均有一个 明显的拐点 ， 拐点温度为 1 5 ~ C。因此浇筑混凝土时， 环境温 度易大于 1 5 ℃， 这样可以有效缩短强度发展的时间。 ( 3 ) 当环境温度不大于 5 9 0 时， 达到 1 0 0 ％抗弯承载力 所需时间大于 2 8 d ， 这与混凝土冬季施工条例相符。大体积 混凝土梁达到 9 5 ％抗弯承载力所需时间均小于2 0 d ， 若能准 确计算得到承载力发展规律， 可以有效提高施工效率， 加快 施工进度 。 本文研究将为大体积混凝土梁早期承载力计算提供一 种可行的分析方法， 为不同尺寸， 不同养护条件下大体积混 凝土梁早期承载力计算提供理论依据。 参考文献 [ 1 ] 邹传学， 张衍龙， 等． 大体积混凝土温升与强度增长的试验研 究[ J ] ． 青岛理工大学学报， 2 0 0 9 ， 3 0 ( 5 ) ： 1 1 0 — 1 1 7 ． [ 2 ] 刘刚， 徐有邻， 余成行 ． 大体积混凝土实体强度的实测及研究 [ J ] ． 混凝 土， 2 0 0 7 ， ( 9) ： 1 0 2—1 0 4 ． [ 3 ] 吴立强 ．大体积混凝土温度 匹配条件下 强度试验研究 [ J ] ． 中 外公路 ， 2 0 0 9， 2 9 ( 6 ) ： 2 7 8—2 8 1 ． [ 4 ] 许丽佳， 于德湖， 张云峰， 等．大体积混凝土早期相对受压区 高度研究一第 2 1届全 国结 构 工程 学 术会 议 论文 集 [ M] ． 北 京 ： 《 工程力学》 杂志社 ， 2 0 1 2 ： 1 4 1—1 4 6 ． [ 5 ] 王振东 ． 混凝土及砌体结构 [ M] ． 北京： 中国建筑工业出版 社 。 2 0 0 3 ． [ 收稿 13 期 ] 2 0 1 3—0 7— 0 5 利用大体积混凝土梁抗弯承载力简化计算模型计算各 [ 作者简介] 周禹鑫( 1 9 8 8 一) ， 女， 黑龙江大庆人， 硕士， 从事工程 工况下， 大体积混凝土梁各龄期的承载力。若能准确计算大 结构抗震研究。 体积混凝土梁达到设计极限承载力9 5 ％或 1 0 0 ％所需时间， 则能做到提前拆模 ， 加快工期， 节约成本。大梁达到设计极 限承载力 9 5 ％或 1 0 0 ％所需 时间与温 度的关系 曲线如 图 8～ 图 1 O所示 。从 图中可以看出 ， 随温度的增大 ， 达 到相应 承载