無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板施工期開裂模擬研究

楊紅艷 趙 虎

(中石化勝利建設(shè)工程有限公司，山東 東營 257000)

無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板施工期開裂模擬研究

楊紅艷 趙 虎

(中石化勝利建設(shè)工程有限公司，山東 東營 257000)

結(jié)合某無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板施工實例，利用midas軟件對該板分別在2月份、5月份、8月份、11月份施工時，由水化熱、環(huán)境溫度變化等引起的混凝土板內(nèi)部應(yīng)力情況進行了模擬，并依據(jù)模擬得到的應(yīng)力分析了板的開裂情況，最后提出了一些預(yù)防鋼筋混凝土板產(chǎn)生裂縫的可操作性方法。

預(yù)應(yīng)力混凝土，混凝土板，水化熱，裂縫

1 概述

某石油化工研究院建設(shè)項目位于遼寧大連旅順口區(qū)科技創(chuàng)新園內(nèi)，該項目建有地下車庫，其車庫頂板尺寸長度為254.3 m，寬度31.2 m，板厚為300 mm，南北向設(shè)置4個后澆帶將板分為5塊，分期施工。與普通長度的鋼筋混凝土構(gòu)件或結(jié)構(gòu)相比，溫度變化導(dǎo)致的熱脹冷縮變形在大跨度混凝土結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的后果更嚴(yán)重，因此，對跨度大的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，施工中的溫度裂縫是需要注意的問題[1-3]。

對于預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件而言，預(yù)應(yīng)力張拉前產(chǎn)生裂縫是常見而又難以徹底根治的問題，且裂縫的存在不可避免的會引起預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕，預(yù)應(yīng)力鋼筋的銹蝕會影響到該預(yù)應(yīng)力混凝土構(gòu)件的使用壽命，甚至?xí)?dǎo)致構(gòu)件的突然垮塌。本文結(jié)合某實際工程52.5 m長度的緩粘結(jié)預(yù)應(yīng)力混凝土板構(gòu)件，利用midas有限元軟件對該板分別在2月份、5月份、8月份、11月份進行施工時，由水化熱、環(huán)境溫度變化等引起的混凝土板內(nèi)部應(yīng)力情況進行了模擬研究。

2 基于midas的混凝土板施工期開裂模擬

工程所位于的遼寧省大連市旅順口區(qū)位于北半球的暖溫帶地區(qū)，該地區(qū)年平均氣溫10.5 ℃，極端氣溫最高37.8 ℃。針對該預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板，為比較在不同時間澆筑時，混凝土板內(nèi)應(yīng)力變化情況，對分別在2月份(冬季)、5月份(春季)、8月份(夏季)、11月份(秋季)澆筑的無粘結(jié)預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土板進行了水化熱分析。

通過查看當(dāng)?shù)?月份，5月份，8月份，11月份的氣象資料(如圖1所示)，結(jié)合施工現(xiàn)場環(huán)境，將車庫頂板上部、板下部大氣溫度按正弦函數(shù)取值。

對于車庫頂板上部：2月份，5月份，8月份，11月份晝夜溫差分別取為6 ℃，8 ℃，5 ℃，7 ℃，日平均溫度分別取為-3 ℃，16 ℃，25 ℃，6 ℃。對于車庫頂板下部(考慮到該部位空氣流通性等具體情況)：2月份，5月份，8月份，11月份晝夜溫差均取為4 ℃，日平均溫度分別取為0 ℃，15 ℃，22 ℃，8 ℃。有限元分析中依據(jù)現(xiàn)場所使用的C40混凝土的配合比，其材料的熱特性取值：比熱0.25 kcal/(kg·℃)，比重2 500 kg/m3，熱傳導(dǎo)率2.3 kcal/(m hr·℃)，對流系數(shù)12 kcal/(m2hr·℃)，彈性模量3.25×105kgf/cm2，單位體積水泥含量450 kgf/m3。

對于混凝土材料而言，其具有徐變和收縮特性，對于邊界受約束的混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件而言，徐變和收縮特性會對構(gòu)件的受力特性產(chǎn)生影響；在正常養(yǎng)護的條件下，混凝土強度將隨齡期的增長而不斷發(fā)展[4]；據(jù)此，在midas中，定義了徐變和收縮函數(shù)、混凝土強度隨時間的發(fā)展規(guī)律。在混凝土結(jié)構(gòu)中，對流熱換是結(jié)構(gòu)表面?zhèn)鳠岬囊粋€重要組成部分，由于混凝土結(jié)構(gòu)完全暴露在大氣中，太陽輻射和對流交換作用就成為混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生裂縫的重要原因，混凝土在凝結(jié)硬化過程中因為水泥的化學(xué)反應(yīng)會釋放熱量，因為混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)低，散熱慢，如果膠凝材料水化[4-6]產(chǎn)生的熱量不能及時散掉會引起溫度裂縫的產(chǎn)生。據(jù)此，在midas中，分別定義了大氣溫度，對流函數(shù)和熱源函數(shù)。

按上述參數(shù)設(shè)置，取板內(nèi)5048節(jié)點作為分析對象(見圖2)，圖3，圖4分別為2月份，8月份澆筑混凝土?xí)r，該混凝土板內(nèi)5048節(jié)點處的應(yīng)力和容許抗拉強度隨時間變化圖。

由圖3可以看出：節(jié)點5048的容許抗拉強度隨澆筑時間持續(xù)增長，澆筑前期容許抗拉強度增長較快，澆筑160 h后，容許抗拉強度增長逐漸趨于緩慢，而拉應(yīng)力隨澆筑時間發(fā)展趨勢跳躍性較大，澆筑后的10 h～30 h出現(xiàn)壓應(yīng)力，隨后混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力并隨澆筑時間變大，在澆筑84 h時，拉應(yīng)力與容許抗拉強度大小一致，澆筑84 h后，拉應(yīng)力開始大于容許抗拉強度，這意味著此時極易出現(xiàn)裂縫，應(yīng)注意該時間點前后的養(yǎng)護，澆筑后84 h～421 h，節(jié)點5048處拉應(yīng)力大于容許抗拉強度，從澆筑421 h～556 h，節(jié)點5048處拉應(yīng)力小于容許抗拉強度，從澆筑556 h～664 h，節(jié)點5048處拉應(yīng)力大于容許抗拉強度，隨后拉應(yīng)力小于容許抗拉強度；考慮到混凝土的離散型，在拉應(yīng)力大于容許抗拉強度時，甚至兩者大小接近時，都容易引起裂縫的產(chǎn)生。裂縫一旦產(chǎn)生，裂縫位置截面成為構(gòu)件的薄弱面，而裂縫周圍部位，因為裂縫的產(chǎn)生引起了應(yīng)力重新分布，而使周圍部位的拉應(yīng)力得到釋放而減小。

由圖4可以看出：因為8月份澆筑時，外界環(huán)境溫度較高，節(jié)點5048的容許抗拉強度隨澆筑時間持續(xù)增長變化趨勢相似，澆筑前期容許抗拉強度增長較快，澆筑初期，容許抗拉強度增長逐漸趨于緩慢，拉應(yīng)力隨澆筑時間發(fā)展趨勢雖有跳躍性，但遠不如2月份澆筑的變化大，澆筑后的0 h～60 h會出現(xiàn)壓應(yīng)力，隨后混凝土內(nèi)部出現(xiàn)拉應(yīng)力并隨澆筑時間變大，在澆筑16 h時，拉應(yīng)力達到最大，但該拉應(yīng)力仍小于容許抗拉強度，因此，此時澆筑的混凝土一般不會產(chǎn)生裂縫，此后，拉應(yīng)力變化不大，且一直小于該節(jié)點處的容許抗拉強度。

圖5給出了2月份，5月份，8月份，11月份澆筑時，節(jié)點5048的最大拉應(yīng)力變化圖?？梢钥闯觯合嗤B(yǎng)護條件下，在2月份澆筑時，拉應(yīng)力值最大，8月份澆筑時，拉應(yīng)力值最??；因為2月份澆筑時，外部環(huán)境溫度低，此時混凝土內(nèi)外溫差大，由此引起的內(nèi)外溫度變形差大，所以拉應(yīng)力大；8月份澆筑時，外部環(huán)境溫度高，此時混凝土內(nèi)外溫差小，由此引起的內(nèi)外溫度變形相差小，所以拉應(yīng)力小。

3 結(jié)論及建議

通過對模擬結(jié)果的分析得到的主要結(jié)論如下：混凝土構(gòu)件澆筑后早期的水化溫升和外界的溫、濕度對裂縫的開展有很大的影響，前期設(shè)計時要充分考慮，施工時既要注意散熱，又要適當(dāng)保溫，并防止失水過快。 混凝土早期裂縫的普遍存在，會給結(jié)構(gòu)的正常使用帶來不利影響?？偟膩碚f，裂縫的產(chǎn)生源于其收縮變形受到約束時產(chǎn)生的拉應(yīng)力超過其即時抗拉應(yīng)力，或收縮應(yīng)變超過了其即時極限延伸值，因此為了對早期裂縫進行控制，應(yīng)從設(shè)計、施工和材料三方面入手，采取措施減少混凝土收縮變形，努力使混凝土的早期抗拉應(yīng)力和極限延伸值的增長率同步甚至快于其抗壓強度和彈性模量的增長率，提高抗裂能力，從而有效地控制早期裂縫的產(chǎn)生及其發(fā)展。

[1] 袁 勇.混凝土結(jié)構(gòu)早期裂縫控制[M].北京:科學(xué)出版社,2004.

[2] 陳 萌.混凝土結(jié)構(gòu)收縮裂縫的機理分析與控制[D].武漢：武漢理工大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.

[3] 伍朝暉,孫柏林.溫度應(yīng)力對超長結(jié)構(gòu)的影響[J].建筑結(jié)構(gòu),2002,32(8):28-29.

[4] 王鐵夢.工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1997.

[5] 江懷雁.室外溫、濕度波動對現(xiàn)澆鋼筋混凝土樓板非使用荷載裂縫影響的試驗研究[J].混凝土與水泥制品,2014(1):78-82.

[6] 鄭宏宇,蘇益聲,鄧志恒.混合結(jié)構(gòu)房屋現(xiàn)澆樓板裂縫的試驗研究與有限元分析[J].建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2007(4):97-103.

On crack simulation of non-bonding prestressed reinforced concrete in construction period

Yang Hongyan Zhao Hu

(SinopecPetroleumConstructionShengliCorporation,Dongying257000,China)

Combining with the construction examples of some non-bonded prestressed reinforced concrete, the paper adopts midas software to simulate the internal stress of the concrete plates caused by the hydration heat and environment temperature changes in February, May, August and November, analyzes the cracks in the stressed analysis in the simulation, and points out some operable method to prevent the cracks on the reinforced concrete plates.

prestressed concrete, concrete plate, hydration heat, crack

1009-6825(2015)32-0089-03

2015-09-06

楊紅艷(1975- )，女，工程師； 趙 虎(1974- )，男，高級工程師

TU757

A