鋼混組合剪力墻溫度裂縫開裂機理及預(yù)防措施

楊亞星，賀海燕，楊洋，雷鵬

（中國建筑第二工程局有限公司，陜西 西安 710100）

隨著科技的進(jìn)步和社會的發(fā)展，鋼板混凝土組合剪力墻因延性、抗側(cè)剛度、抗震性能好被廣泛應(yīng)用在超高層、大跨度以及地震多發(fā)區(qū)的建筑結(jié)構(gòu)中。為滿足結(jié)構(gòu)性能，鋼板混凝土組合剪力墻設(shè)計強度高，多選用水化熱較大的高性能混凝土且墻體較厚，屬大體積混凝土，故其常在溫度應(yīng)力作用下產(chǎn)生早期裂縫，既影響建筑美觀，又會影響結(jié)構(gòu)的耐久性和使用壽命。

大量研究表明[1～3]，引起鋼板混凝土組合剪力墻早期裂縫的原因有很多，溫度應(yīng)力、收縮、不均勻沉降、不規(guī)范施工及養(yǎng)護(hù)等都是引起鋼板混凝土組合剪力墻早期開裂的因素；其中溫度應(yīng)力是導(dǎo)致早期施工開裂的最重要因素[4]。我國針對外荷載引起的裂縫問題研究較多，但對早期裂縫的研究有很大不足。本文在已有鋼板混凝土組合剪力墻早期裂縫研究理論基礎(chǔ)上，重點分析早期溫度應(yīng)力對混凝土開裂產(chǎn)生的影響。

1 組合剪力墻溫度裂縫的成因

溫度應(yīng)力的大小及混凝土和鋼板之間線膨脹系數(shù)差異是造成組合剪力墻開裂的最主要原因，其中溫度應(yīng)力的大小是可以通過措施控制的，而線膨脹系數(shù)是混凝土和鋼板的固有屬性，屬于不可控制因素。

1.1 溫度應(yīng)力

1.1.1 原材料

1）水泥。組合剪力墻一般截面尺寸和混凝土設(shè)計強度較大，這就要求水泥的強度和用量較普通混凝土構(gòu)件高。混凝土在澆筑后內(nèi)部熱量容易聚集且放熱緩慢，水泥的水化熱是構(gòu)件溫度的主要來源。水泥的水化熱過大或用量過多都會使組合剪力墻因內(nèi)外溫度梯度過大而產(chǎn)生溫度裂縫。因此，合理的混凝土強度和水泥用量是防止組合剪力墻開裂的關(guān)鍵因素之一。

2）水灰比?；炷涟韬瓦^程中的用水量有20%用于水泥的水化過程，其余的水分蒸發(fā)到外部環(huán)境中。水灰比偏大，會導(dǎo)致大量的水分蒸發(fā)，使混凝土的收縮加大，容易導(dǎo)致墻體產(chǎn)生干縮裂縫；水灰比偏小，易導(dǎo)致組合剪力墻栓釘和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形，使墻體開裂。

3）外加劑和摻合料。外加劑和摻合料用量過大或過小，都會導(dǎo)致組合剪力墻內(nèi)部溫升速率過快，剪力墻內(nèi)外溫度梯度過大，導(dǎo)致開裂。

1.1.2 設(shè)計原因

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計強度?；炷猎O(shè)計強度越大，則墻體內(nèi)部因水化熱聚集產(chǎn)生的溫度就越高，組合剪力墻內(nèi)外溫度梯度就會越大，越容易產(chǎn)生溫度裂縫。

2）墻體厚度。墻體越厚，與外部環(huán)境之間的熱量交換就越困難，內(nèi)部產(chǎn)生的熱量不易及時排出，導(dǎo)致墻體內(nèi)外溫度梯度過大，增加墻體在溫度應(yīng)力作用下開裂的風(fēng)險。

3）鋼板厚度。鋼板厚度增加會使結(jié)構(gòu)整體變形增大，加劇鋼板和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形且早期混凝土產(chǎn)生的溫度應(yīng)力釋放緩慢，墻體更易因溫度應(yīng)力產(chǎn)生裂縫。

1.1.3 施工原因

1）環(huán)境溫度。混凝土澆筑時氣溫越高，墻體產(chǎn)生的溫度應(yīng)力就會越大。實際工程經(jīng)驗表明，在平均氣溫低于10℃條件下澆筑混凝土，墻體很少產(chǎn)生甚至不產(chǎn)生裂縫，若平均氣溫高于25℃，墻體極易產(chǎn)生豎向裂縫[5]。

2）拆模過早。拆模過早會使墻體表面失去保溫材料，加大混凝土內(nèi)外溫度梯度，導(dǎo)致溫度應(yīng)力過大。

3）入模溫度。混凝土的入模溫度過高會加快水化反應(yīng)，使混凝土內(nèi)外溫度梯度增大。相關(guān)研究及實際工程表明，控制混凝土的入模溫度是控制混凝土早期溫度應(yīng)力的重要措施。

1.2 線膨脹系數(shù)差異

混凝土在一定時間內(nèi)線膨脹系數(shù)會隨著期齡而變化，D.Cusson等[6]實測了混凝土硬化初期的線膨脹系數(shù)，見圖1。

圖1 混凝土早期熱膨脹系數(shù)

鋼材的線膨脹系數(shù)為0.92×10-5～1.2×10-5℃-1。

2 溫度應(yīng)力的機制及開裂分析

2.1 溫度應(yīng)力產(chǎn)生機理

鋼板混凝土組合剪力墻溫度應(yīng)力的本質(zhì)是混凝土表面散熱速率和內(nèi)部導(dǎo)熱速率不平衡，導(dǎo)致混凝土內(nèi)外產(chǎn)生溫度梯度，使得內(nèi)外變形不一致，混凝土由于內(nèi)外變形差及外部約束產(chǎn)生應(yīng)力?；炷恋睦瓚?yīng)力大于本身抗拉強度就會開裂。

式中：σ為大體積混凝土的溫度應(yīng)力；E為混凝土彈性模量；α為混凝土線膨脹系數(shù)；ΔT為混凝土表里溫差：v為混凝土的泊松比，取0.2；r為混凝土松弛系數(shù)，取0.5；s為混凝土外約束系數(shù)，取0.32。

彈性模量是混凝土一個重要的力學(xué)指標(biāo)，隨著齡期增長，彈性模量會達(dá)到一個定值。

式中：τ為齡期；E0為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d混凝土彈性模量；β、φ為經(jīng)驗系數(shù)，分別取1、0.09。

混凝土的線膨脹系數(shù)直接影響結(jié)構(gòu)隨溫度的變化量，進(jìn)而影響混凝土的應(yīng)力值。與一般的剪力墻不同，混凝土和鋼板之間不同的線膨脹系數(shù)導(dǎo)致兩者在相同溫度下會產(chǎn)生不同形變；尤其是在降溫階段，鋼板的收縮量會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土，由于混凝土和鋼板之間的不協(xié)調(diào)變形，墻體表面產(chǎn)生一定拉應(yīng)力，拉應(yīng)力大于混凝土抗拉強度時，就會導(dǎo)致墻體開裂。

2.2 不協(xié)調(diào)變形數(shù)學(xué)分析

混凝土和鋼板之間線膨脹系數(shù)的差異會導(dǎo)致兩者之間的不協(xié)調(diào)變形，若要準(zhǔn)確計算混凝土受到的拉應(yīng)力就必須對兩種材料進(jìn)行綜合分析。

假設(shè)鋼板和混凝土之間的溫度變化相同，將混凝土在水化熱作用下產(chǎn)生的溫差作為溫度效應(yīng)，對鋼板和混凝土之間的應(yīng)力進(jìn)行計算。

1）升溫階段，混凝土相對鋼板產(chǎn)生的溫度應(yīng)變

式中：ε1(τ)為τ齡期混凝土相對鋼板產(chǎn)生的溫度應(yīng)變；αs為所選鋼材線膨脹系數(shù)；α(τ)為τ齡期混凝土線膨脹系數(shù)；T(τ)為τ齡期組合剪力墻溫度變化量。

混凝土相對于鋼板的總應(yīng)變?yōu)?/p>

式中：T′(τ)為組合剪力墻隨齡期τ的溫度變化速率；ε2(τ)為混凝土相對于鋼板產(chǎn)生的約束應(yīng)變。

2）結(jié)構(gòu)的降溫階段，混凝土在鋼板的約束下受到壓應(yīng)力，此時鋼板和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形不再是造成混凝土開裂的原因，結(jié)構(gòu)的溫度拉應(yīng)力主要是由于混凝土的降溫收縮變形和約束共同作用。

控制鋼板混凝土組合剪力墻早期的溫度應(yīng)力，主要是控制結(jié)構(gòu)的溫升速率及內(nèi)外溫差。

2.3 黏結(jié)滑移理論

鋼板和混凝土共同作用的基礎(chǔ)是它們之間有效連接，主要是兩者之間的化學(xué)黏結(jié)力和連接件。

鋼板和混凝土之間的黏結(jié)作用使結(jié)構(gòu)承受的荷載由兩者共同承擔(dān)，當(dāng)鋼板與混凝土之間在一定范圍內(nèi)發(fā)生相對滑移時并不影響兩者的黏結(jié)力，超出這個范圍會使兩者間的黏結(jié)力變小，直至失效。見圖2。

圖2 鋼板和混凝土粘結(jié)滑移本構(gòu)模型曲線

為符合工程實際，根據(jù)鋼板和混凝土黏結(jié)滑移的本構(gòu)關(guān)系，定義兩種材料接觸面之間“黏性行為”和“損傷”等相關(guān)參數(shù)，在建模計算過程中模擬鋼板和混凝土之間的黏結(jié)效應(yīng)。

2.4 混凝土安全系數(shù)

若大體積混凝土在澆筑后采取的養(yǎng)護(hù)措施不到位，產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可能會超過其抗拉強度而導(dǎo)致混凝土開裂。

混凝土的抗拉強度[7]

式中：ftk(τ)為τ齡期混凝土抗拉強度；ftk為混凝土抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值；γ為系數(shù)，取0.3。

工程中常用安全系數(shù)來進(jìn)行混凝土的開裂驗算

式中：K為大體積混凝土的抗裂安全系數(shù)。

當(dāng)K＞1.15時，認(rèn)為混凝土無開裂風(fēng)險。

3 工程實例

3.1 工程概況

某中央商務(wù)區(qū)一期工程主要由辦公樓、商業(yè)裙樓及地下室等單元組成，各個單元通過地下室連接成整體。工程總建筑面積約370 000 m2，首層平面尺寸65 m×65 m，核心筒為34 m×37 m的矩形，地上117層，地下3層，建筑高度為597 m。鋼板混凝土組合剪力墻采用強度等級為C60的混凝土，水泥選用P.O42.5級普通硅酸鹽水泥，鋼板為Q345B碳素結(jié)構(gòu)鋼。

3.2 模型建立

ABAQUS有限元分析軟件通過二次開發(fā)編寫HETVAL子程序模擬施工期組合剪力墻溫度和應(yīng)力的發(fā)展過程。

建立截面尺寸為7.2 m×4.2 m×1.4 m（長×高×厚）的組合剪力墻模型，墻體主要由混凝土、內(nèi)置鋼板、栓釘及鋼筋網(wǎng)組成。內(nèi)置鋼板厚度0.04 m，位于墻體的中部；鋼板和混凝土之間采用栓釘連接，直徑為18 mm、間距300 mm。見圖3。

圖3 組合剪力墻模型及各部位網(wǎng)格劃分

3.3 材料參數(shù)

1）溫度場參數(shù)見表1。

表1 溫度場分析參數(shù)

2）應(yīng)力場參數(shù)見表2。

表2 應(yīng)力場分析參數(shù)

3.4 有限元計算結(jié)果

3.4.1 溫度場分析

瞬態(tài)分析的模擬方式可以準(zhǔn)確計算出研究對象每個時刻的溫度，方便研究鋼板混凝土組合剪力墻各部位、各時間段的溫度變化歷程。環(huán)境溫度取25℃，通過幅值來模擬大氣溫度，混凝土的入模溫度取30℃，用編寫的HETVAL子程序來實現(xiàn)混凝土的水化過程。在對熱傳遞的模擬過程中，混凝土和空氣的熱量傳遞符合第三類邊界條件，混凝土和鋼板之間的熱傳遞符合第四類邊界條件。

在水化熱和熱傳遞作用下，組合剪力墻的溫度場呈環(huán)形分布，混凝土內(nèi)側(cè)和鋼板的溫度基本保持一致，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于混凝土外部。見圖4。

圖4 剪力墻溫度場分布

為進(jìn)一步研究溫度在墻體厚度方向上的分布規(guī)律，取混凝土外側(cè)中心點、混凝土中心節(jié)點、混凝土內(nèi)側(cè)中心點和鋼板中心點為參考點，進(jìn)行溫度計算，節(jié)點編號分別為A、B、C、D，見圖5和圖6。

圖5 節(jié)點分布

圖6 參考節(jié)點溫度時程曲線

混凝土墻在澆筑后的一段時間內(nèi)各點的溫度都呈升溫迅速、降溫緩慢的趨勢。圖6中不平滑段是結(jié)構(gòu)受外界環(huán)境溫度變化影響造成的，尤其是混凝土的外側(cè)受外界環(huán)境擾動最大，在整個變化過程中溫度值都上下浮動；另外，同一時刻越靠近混凝土外側(cè)溫度越低，鋼板與混凝土內(nèi)側(cè)溫度變化保持一致，但鋼板溫度略低于混凝土。

混凝土外表面產(chǎn)生的溫度應(yīng)力主要是內(nèi)外溫差引起結(jié)構(gòu)形變導(dǎo)致的。AB、BC節(jié)段溫差雖然有上下起伏，但是總體先升后降且為急增緩降。AB節(jié)段溫差在混凝土澆筑后60 h達(dá)到峰值，為10.3℃；BC節(jié)段溫差在混凝土澆筑后64 h達(dá)到峰值，為3.1℃，僅為AB節(jié)段溫差峰值的30%，表明混凝土外半側(cè)的溫度梯度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于混凝土內(nèi)半側(cè)。見圖7。

圖7 AB及BC節(jié)溫差

鋼板無論是升溫還是降溫階段都基本和混凝土內(nèi)側(cè)保持一致且溫差非常小。鋼板和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形主要在于兩者之間的線膨脹系數(shù)差，由于結(jié)構(gòu)的最大溫升達(dá)到了21.1℃，混凝土與鋼板之間的因不協(xié)調(diào)變形而產(chǎn)生的開裂風(fēng)險無法忽視。

3.4.2 應(yīng)力場分析

混凝土外側(cè)受拉應(yīng)力，內(nèi)側(cè)受壓應(yīng)力。值得注意的是，混凝土內(nèi)部兩側(cè)拉應(yīng)力值過大，主要是由于鋼板和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形以及栓釘分布的影響且栓釘分布區(qū)域存在應(yīng)力突變，為進(jìn)一步研究溫度應(yīng)力的影響，從混凝土內(nèi)、外側(cè)拉應(yīng)力較大區(qū)域共取6個點進(jìn)行分析。見圖8。

圖8 混凝土應(yīng)力及節(jié)點分布

點F處的應(yīng)力峰值明顯高于其他各點，表明鋼板和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形以及栓釘對混凝土早期拉應(yīng)力的影響尤為明顯；點F處的拉應(yīng)力值也較為突出，主要是由于混凝土的溫度應(yīng)變和周邊約束共同作用的結(jié)果；A點周圍的溫度應(yīng)力也無法忽視，主要是混凝土頂端缺少外部約束，溫度應(yīng)變累計作用的結(jié)果。見圖9。

圖9 各節(jié)點應(yīng)力時程曲線

為進(jìn)一步研究各點的開裂風(fēng)險，取C60混凝土的抗拉強度標(biāo)準(zhǔn)值為2.04 MPa，根據(jù)式（5）及式（6），計算得到了以上各點混凝土的安全系數(shù)，見表3。

表3 各參考節(jié)點安全系數(shù)

點B、C、D、F處安全系數(shù)低于1.15，有開裂風(fēng)險。B、C兩點都處于剪力墻外表面的中間部位，在澆筑后都有一定的裂縫，若養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)可能會造成豎向貫穿裂縫。混凝土和鋼板接觸面的F點，由于鋼板和栓釘?shù)墓餐饔茫诨炷翝仓髸a(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，有極大的開裂風(fēng)險，施工過程中應(yīng)注意。

3.4.3 組合剪力墻位移分析

墻的兩側(cè)及底部位移很小，最大位移出現(xiàn)在墻體頂部的中心部位。見圖10。

圖10 組合剪力墻位移

圖11為無鋼板混凝土剪力墻的位移。對比圖10和圖11可以發(fā)現(xiàn)，靠近鋼板部位的混凝土明顯位移更大且鋼板和混凝土之間明顯存在不協(xié)調(diào)變形，主要是由于鋼板和混凝土之間的線彈性系數(shù)差以及鋼板和混凝土之間的黏結(jié)作用。

圖11 無鋼板剪力墻位移

進(jìn)一步研究鋼板混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形，取墻體中部鋼板與混凝土的接觸面的7個點，自下至上分別為A、B、C、D、E、F、G，計算各點鋼板、混凝土的最大位移以及位移差值。見圖12。

圖12 各結(jié)點最大位移差值

鋼板和混凝土之間不協(xié)調(diào)變形的最大值出現(xiàn)在墻體的頂部，主要是由于墻體的頂部缺少約束，墻體的整體由下而上逐漸積累導(dǎo)致。實際工程中此位置易產(chǎn)生豎向裂縫，施工過程中應(yīng)注意采取措施減少裂縫產(chǎn)生的風(fēng)險。

4 結(jié)論

1）墻體開裂風(fēng)險與混凝土溫度變化和內(nèi)外溫差有直接關(guān)系，溫度越高、溫度梯度越大，墻體外表面產(chǎn)生的拉應(yīng)力越大，可以通過控制混凝土的入模溫度及采取合理的養(yǎng)護(hù)措施來降低早期溫度裂縫的開裂風(fēng)險。

2）鋼板和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形是導(dǎo)致墻體產(chǎn)生裂縫的原因之一。鋼板和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形越大，墻體產(chǎn)生裂縫的風(fēng)險就越大，在混凝土澆筑前對鋼板進(jìn)行升溫可以減少鋼板和混凝土之間的不協(xié)調(diào)變形，控溫法在一定程度上能減少墻體開裂的風(fēng)險。

3）最容易開裂的位置是混凝土內(nèi)部的兩側(cè)。鋼板和栓釘會使混凝土與鋼板的接觸面產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，在設(shè)計過程中要合理控制鋼板的厚度和栓釘?shù)奈恢?；也可以通過鋼板預(yù)熱降低兩種材料之間的不協(xié)調(diào)變形，來降低混凝土的開裂風(fēng)險。

4）混凝土外側(cè)與約束相鄰的部位有較大開裂，主要是由于框架制約混凝土的早期形變產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，可以通過在混凝土墻板上設(shè)縫的方式降低早期的溫度應(yīng)力。

5）混凝土外側(cè)中間部位有一定的開裂縫風(fēng)險，若澆筑后養(yǎng)護(hù)措施不當(dāng)，易產(chǎn)生貫穿墻面的豎向裂縫。