圆台形混凝土筏基裂缝力学分析及防裂措施.pdf

第 4 0卷第 5期 2 0 1 4年 1 O月 四川建筑科学研究 S i c hu a n Bu i l d i n g S ci e n c e 圆台形混凝土筏基裂缝力学分析及防裂措施 伊安海 ( 山东 水利职业 学院 ， 山东 日照2 7 6 8 2 6 ) 摘要： 研究了圆台形筏基裂缝发展规律， 从温度变化和干缩两个角度分析了裂缝产生的内在原因。本文分别对 圆台中心区与边缘区的温度差引起的边缘竖向裂缝 、 混凝土内外温差产生的圆台 r >~2 ／ 3 R处上表面裂缝和由于干 缩和降温引起的圆台中心区宽深裂缝的机理进行了力学分析， 并提出了圆台混凝土裂缝的温控计算预控和减少裂 缝影响的构造措施， 对圆台形筏基大体积混凝土裂缝控制具有一定的指导意义。 关键词： 圆台形筏基； 混凝土降温期间裂缝 ； 预控； 构造措施； 耐久性 中图分类号 ： T U 7 4 4 文献标志码 ： B 文章编号 ： t 0 0 8—1 9 3 3 ( 2 0 1 4 ) 0 5—1 1 1 — 0 3 0 引 言 水泥水 化过程 中放 出大量的热 ， 由于混凝土 内 部和表面的散热条件不同， 形成温度梯度 ， 造成温差 变形 ， 当变形受到约束 时将 会产生温度应 力 ； 混 凝土浇筑第 3天开始 降温收缩 ， 当变形受到约束时 将会产生温度应力 ； 根据毛细管张力学说 、 表面 吸附学说和夹层水学说 ， 混凝土表 面与空气接触引 起水分蒸 发将 会 引起 干 燥 收缩 从 而 引起 干 缩 应 力 ， 当 3种应力叠加超过混凝土 的抗拉强度 时， 就会产生表面甚至贯 穿裂缝 ， 影 响结构 的耐久性和 承载能力【 1 -2 , 5 ] 。多年来 ， 工程技术人员开展 了关于 裂缝分析和控制的大量研究 ， 积累了丰富的经验 ， 但 就 圆台形混凝土筏基 裂缝控制方面 ， 却鲜见相关文 献 。本文针对实际工程 ， 参考王铁 梦先生结构裂缝 控制理论分析了裂缝 机理， 提出了相应 的理论计算 方法 ， 对 圆台形混凝土筏基裂缝控制具有一定 的参 考价值 。 1 工程案例 某厂房筏基 B 1段为直径 1 9 ． 6 m、 厚度 1 ． 8 m 的圆台形基础 ， 混凝土强度等级 C 5 0( 2 8 d ) 。2 0 1 3 年 6月 3日浇灌混凝 土 ， 覆盖塑料 薄膜及麻袋片保 温养护到 6月 1 2日， 揭开保温层时发现有表面裂纹 ( 图 1 ) 。该工程实时温控情况 ， 见图 2测温 曲线 。 2裂缝机理力学分析 2 ． 1 裂缝状况描述 本工程裂缝主要有 两种情况 ： 圆台周圈立 面裂 收稿 日期 ： 2 0 1 3 ． 1 0 ． 1 4 作者简介 ： 伊安海( 1 9 6 4一)， 男 ， 副 教授 主要从 事建筑 工程 施工管 理及研究工作。 E —m a i l ! y i a n h a i @ 1 6 3． t o m 3 00 g 4 00 g 0g 图 1 R=9 8 0 0 m m圆台基础初期裂缝 图 2 B 1段筏基测温 曲线 缝数量较多 ， 多为竖 向开展裂缝 ， 部分通高 ， 深度不 大 ， 多在 1 0 m m以内； 上表面裂缝呈放射状 ， 肉眼可 见 的 5条 ， 靠近圆心部位宽深明显 ， 两处可见钢筋 ， 靠近边缘部位变窄变浅 ； 未见环向裂缝 。 2 ． 2裂缝原因分析 根据现场裂缝分布 ， 参考相关文献 ， 可以断定本 工程圆台形结构裂缝 主要 由以下 4种 温度应力产 生 ： 1 ) 中心温度与边缘温度之差产生的应力 ； 2 ) 中心温度与上表面温度之差引起的应力 ； 1 1 2 四川建筑科学研究 第 4 0卷 3 ) 降温引起 的外约束应力 ； 4 ) 干缩应力。 2 ． 2 ． 1 中心温度与边缘温度之差产生的应力 假设 中心与边缘有最大温度差 ， 可近似地 2 取各点温差 r )= m a x ( 一 ) ， 根据王铁 梦先生 裂缝控制理论 ， 可以通过下式计算环向和径 向应力 值 ： 。( r ) = 寻 E 7 1m 嘉 一 ) ( 环 向 ) ⋯ ( r )= 1 E ～ T ⋯ " 2 — 1 ) ( 径 向) 1 ] 式中 。 ( r ) 、 r ， ( r ) ——环向、 径向应力； E ——混凝土各龄期弹性模量 ； —— 混凝土线膨胀系数 ； r ——计算点到圆心距离。 根据 以往经验 ， 混凝 土养护期 问一般情况下 中 心温度高于边缘温度 ， 此 时环 向应力表现为边缘 区 为拉 、 中心区为压 ， r = ／ 3 尺处为 0点 ， 而径 向应力 均为压( 此可解释未见环向裂缝现象 ) 。本工程 中 心区与边缘区温差 T m =2 5 ~ C， 满足规范要求 ， 在考 虑应力松弛前提下计算 的各龄期各点环 向应力 、 径 向应力见表 1 。 表 l 各龄期各点环( 径) 向应力 ( d ) 3 4 5 6 7 9 1 1 1 4 注 ： R f ( ) 为观凝土各龄期抗拉强度 ， 计算方法见文献l 2 J 。 由表 1 计算可知在龄期 3 d时 ， 边缘 区环 向拉 应力 。 ( r )=1 ． 0 3 MP a>R f =0 ． 9 8 MP a ， 这就解释 了在实际施工 中局部确实 出现裂缝 的原 因， 这就要 求在施工 中做好混凝土侧面保温， 减少 中心温度与 边缘温度差。为安全起见 ， 一般应该控制此温度小 于 2 0℃ 。 2 ． 2 ． 2 中心温度与表面温度差产生的温度应力计算 此温差产生混凝土上表面的拉应力 ， 其应力计 算方法同长方形筏基 ： ⋯ ： E。 () AT I H ( t , To r t A1 i Hi t ) — — —也。 【 L ) 1 一 灿 式中 ⋯ —— 内外温差应力 ； E ． ( t ) ——混凝土各龄期弹性模量 ； A T —— 内外温差 ； —— 泊松 比； ( t ， 丁 ) ——应力松弛系数 。 根据图 2 ， 龄期为 3 d时有内外温差 2 3 ~ C， 以后保 持这一温差并逐渐减少。为安全起见 ， 现不考虑以后 温差的减少 ， 偏保守地计算各龄期温差应力 ， 见表 2 。 表 2 各 龄期 温差应 力计算 l 1 1 4 O ． 1 7 O ． 1 7 1 ． 6 4 1 ． 7 5 结合表 1 可以看出， 当 r >~2 ／ 3 R时， 第三天环向 应力与内外温差应力之和已经远远超过抗拉强度 ， 于是 ， 圆台出现上表面裂缝就可得到解释了。 2 ． 2 ． 3 由于降温引起的外约束应力 随着混凝 土的不断降温 ， 由于基层对混凝土的 约束作用必然在混凝土中产生拉应力 ， 此应力是中 心区域大 、 边缘区域小， r =R时为 0 ， r： 0时最大 。 此应力计算可偏安全地简化为 圆台外切正方形 ， 计 算其中心部位各龄期拉应力。 1 n 1 a x( )一 ( 一 1 i 1 ni l ) l — U = c L／三 日i ( t ， 7 - ) E i ( 丁 ) △ ( ) 式中 卢 i =~ ／ c x ／ 册 i ( ) ； —— 混凝土块体的长度 ； △ ( ) ——所计算时间段的降温值 ； l耋