現(xiàn)澆板早期濕度場(chǎng)有限元分析

徐靜偉

（西京學(xué)院工程技術(shù)系 陜西 西安 710123）

越來越多的工程實(shí)例表明現(xiàn)澆板的早齡期開裂一直是工程存在的普遍現(xiàn)象，許多現(xiàn)澆梁、板在剛拆除模板甚至澆筑后很短時(shí)間內(nèi)就出現(xiàn)了不同程度的裂縫， 成為困擾業(yè)主、設(shè)計(jì)和施工人員的工程問題之一[1]。 與大體積結(jié)構(gòu)不同，現(xiàn)澆板截面厚度較薄，面積較大，混凝土的收縮是引發(fā)混凝土現(xiàn)澆板早期開裂的一個(gè)重要因素[2]。 目前，混凝土現(xiàn)澆板早期收縮裂縫控制的重點(diǎn)主要集中于干燥收縮問題的研究[3]。 而濕度場(chǎng)的確定是混凝土干縮應(yīng)力計(jì)算的前提和關(guān)鍵，因此在計(jì)算干縮應(yīng)力之前應(yīng)首先求解濕度場(chǎng)。 本文根據(jù)濕度場(chǎng)基本理論，利用ANSYS 建立了三維模型，對(duì)混凝土濕度場(chǎng)和濕度變形進(jìn)行了探討。

1 早期濕度場(chǎng)計(jì)算方法

從理論上講，混凝土內(nèi)的水分?jǐn)U散、濕度變化的規(guī)律與混凝土內(nèi)的溫度傳播規(guī)律有一定的相似性，服從同一數(shù)學(xué)形式的擴(kuò)散方程，描述濕度擴(kuò)散場(chǎng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式與溫度場(chǎng)基本相似，從而熱傳導(dǎo)邊值問題的解法可以套用到濕度擴(kuò)散場(chǎng)的求解。 求解濕度場(chǎng)時(shí)，可根據(jù)相應(yīng)的理論建立濕度數(shù)學(xué)模型，引入初邊值條件，通過數(shù)值計(jì)算方法求出混凝土的濕度場(chǎng)隨時(shí)間的變化。 然后，仿照溫度變形與溫差之間的關(guān)系，可將此中干縮變形換算成當(dāng)量溫差[4]。

2 模型建立

采用ANSYS 軟件，建立單個(gè)房間的框架結(jié)構(gòu)模型，開間5.4m，進(jìn)深6.3m，樓層高度3m，板厚120mm，梁截面450mm×800mm，柱截面500mm×500mm。 假定柱體的干燥收縮變形已完成，基本無水分散失，梁板頂部裸露，未采取養(yǎng)護(hù)措施，空氣平均相對(duì)濕度H 取70%。 如前所述，混凝土早期濕度的變化規(guī)律同溫度有一定的相似性， 故仍選用熱分析實(shí)體單元SOLID70 來模擬結(jié)構(gòu)早期的濕度變化。ANSYS 中計(jì)算現(xiàn)澆樓板早期濕度場(chǎng)的有限元模型與溫度場(chǎng)有所不同，為描述濕度場(chǎng)故網(wǎng)格劃分較為密集，如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)澆板單元網(wǎng)格劃分示意圖

3 現(xiàn)澆板早期濕度場(chǎng)計(jì)算結(jié)果分析

圖2 濕度場(chǎng)等值線圖

現(xiàn)澆板板面中心處板帶截面濕度隨齡期的變化過程如圖2 所示（圖中橫坐標(biāo)表示與板頂面距離，縱坐標(biāo)為環(huán)境相對(duì)濕度）。 從中可以看出，總體而言，各特征點(diǎn)的濕度隨齡期呈持續(xù)減小的趨勢(shì)。 相比較而言，有模板保護(hù)的底面在拆模前濕度幾乎無變化， 而與空氣層接觸的頂面濕度減小較快，澆筑后0.5d 濕度變化6.26%， 從齡期0.5d 到1d 濕度變化3.89%，從齡期1d 到2d 濕度變化4.25%，其后表面濕度隨齡期減小；拆模后板底面與空氣直接接觸，混凝土中的濕度會(huì)向周圍較干燥的空氣中擴(kuò)散， 濕度變化較明顯， 從齡期14d到15d 濕度變化10.1%， 從齡期15d 到21d、21d 到28d 的時(shí)間段內(nèi)，濕度變化分別為10%、2.4%，底面與頂面的濕度變化均表現(xiàn)出隨齡期減小的趨勢(shì)。

從計(jì)算結(jié)果可以看出，濕度的傳導(dǎo)是非常緩慢的，經(jīng)過10 天后現(xiàn)澆板濕度有10%變化的區(qū)域只限于表層2cm，14天后為2.5cm，28 天時(shí)為3.5cm。 濕度的變化速率呈現(xiàn)出越往內(nèi)變化速率越小的趨勢(shì)。 雖然與溫度傳導(dǎo)相比，濕度在混凝土內(nèi)部的傳導(dǎo)非常緩慢，但經(jīng)過一段時(shí)間，表面區(qū)域濕度場(chǎng)的變化還是比較明顯的，即使在14d 時(shí)，濕度場(chǎng)在表層仍然形成很大的濕度梯度， 在3cm 的厚度里， 混凝土的濕度由99.28%急劇降到表面的77.54%， 平均每厘米濕度變化約7.2%。 這種內(nèi)外濕度變化的不均勻性將導(dǎo)致內(nèi)外變形的不一致，從而形成內(nèi)部對(duì)表面的約束，很容易導(dǎo)致表面拉應(yīng)力的產(chǎn)生從而引起表面開裂。

4 現(xiàn)澆板早期濕度場(chǎng)分布規(guī)律

1）從澆筑開始，總體而言，現(xiàn)澆板相對(duì)濕度的變化隨齡期呈持續(xù)減小的趨勢(shì)，但濕度的傳導(dǎo)是非常緩慢的，相對(duì)濕度的變化速率呈現(xiàn)出越往內(nèi)變化速率越小的趨勢(shì)。 相比較而言，表面混凝土相對(duì)濕度的變化較內(nèi)部混凝土明顯，內(nèi)部混凝土濕度的傳導(dǎo)極為緩慢。

2）與溫度傳導(dǎo)相比，濕度在現(xiàn)澆板內(nèi)部的傳導(dǎo)非常緩慢，但經(jīng)過一段時(shí)間， 表面區(qū)域濕度場(chǎng)的變化還是比較明顯的。這種內(nèi)外濕度變化的不均勻性將導(dǎo)致內(nèi)外變形的不一致，從而形成內(nèi)部對(duì)表面的約束，很容易導(dǎo)致表面拉應(yīng)力的產(chǎn)生從而引起表面開裂。

3）有模板保護(hù)的底面在拆模前相對(duì)濕度幾乎無變化，而與空氣層接觸的頂面相對(duì)濕度減小較快，2d～3d 以后，表面相對(duì)濕度下降速度比之前緩慢。 拆模后板底面與空氣直接接觸，混凝土中的濕度會(huì)向周圍較干燥的空氣中擴(kuò)散，濕度變化較明顯，其后表現(xiàn)出隨齡期減小的趨勢(shì)。

5 制定合理的養(yǎng)護(hù)措施

加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)也是預(yù)防混凝土出現(xiàn)表面裂縫的一項(xiàng)主要舉措，因此在混凝土澆筑完畢后12～18h 內(nèi)就要開始養(yǎng)護(hù)，同時(shí)要保證養(yǎng)護(hù)時(shí)間， 重要部位用草袋和塑料薄膜進(jìn)行保溫保濕；對(duì)于表面積較大的板類構(gòu)件，可以采用蓄水養(yǎng)護(hù)；混凝土表面不宜澆水或采用覆蓋養(yǎng)護(hù)時(shí)，宜涂刷養(yǎng)護(hù)劑[5]。 冬季施工期間應(yīng)采取保溫蓄熱措施。 常溫情況下，應(yīng)嚴(yán)格按規(guī)定及時(shí)對(duì)混凝土澆水養(yǎng)護(hù)。 在炎熱、干燥氣候條件下還應(yīng)提前養(yǎng)護(hù)，防止強(qiáng)風(fēng)和烈日暴曬。 最好把表面養(yǎng)護(hù)與表面保濕結(jié)合起來，例如平面覆蓋保溫被、不吸水的泡沫塑料板等，側(cè)面采用內(nèi)貼聚苯乙烯泡沫塑料等。

6 結(jié)論

混凝土的早期收縮是引發(fā)混凝土現(xiàn)澆板早期開裂的一個(gè)主要原因， 濕度場(chǎng)的計(jì)算是計(jì)算干縮應(yīng)力的前提和關(guān)鍵。本文針對(duì)一框架結(jié)構(gòu)單個(gè)房間的現(xiàn)澆板建立模型，采用有限元軟件ANSYS 對(duì)其早期濕度場(chǎng)的發(fā)展變化進(jìn)行了仿真計(jì)算，并分析了現(xiàn)澆板早期濕度場(chǎng)的變化規(guī)律。 結(jié)合計(jì)算與分析結(jié)果，在現(xiàn)澆板早期裂縫控制工作中必須重視早期的養(yǎng)護(hù)工作，對(duì)現(xiàn)澆板而言早期濕度的變化應(yīng)是關(guān)注的重點(diǎn)，拆模對(duì)現(xiàn)澆板底面相對(duì)濕度的影響最為顯著，應(yīng)做好現(xiàn)澆板混凝土的早期養(yǎng)護(hù)工作。

［1］徐靜偉，隋顯智.現(xiàn)澆板早期裂縫成因分析及其防治措施[J].山西建筑，2011（37）：103－104.

［2］陸偉文.超長(zhǎng)鋼筋混凝土樓板結(jié)構(gòu)溫度應(yīng)力研究[D].廣州：廣東工業(yè)大學(xué)，2005.

［3］郝鵬.筋混凝土樓板溫度收縮裂縫的控制研究[D].天津：天津大學(xué)，2004.

［4］馬躍峰.基于水化度的混凝土溫度與應(yīng)力研究[D].南京：河海大學(xué)，2006.

［5］李勤山.現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板裂縫開裂機(jī)理及防止對(duì)策[J].煤炭工程，2007（4）：42－44.

［6］王鐵夢(mèng).工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997：13－273.

［7］周履，陳永春.收縮徐變[M].北京：中國(guó)鐵道出版社，1994.