大体积混凝土基础结构裂缝控制技术的应用研究

1、大体积混凝土基础结构裂缝控制技术的应用研究 重庆大学硕士学位论文大体积混凝土基础结构裂缝控制技术的应用研究姓名:黎平申请学位级别:硕士专业:建筑与土木工程指导教师:李英民;张守权20061025重庆大学硕士学位论文 中文摘要摘 要近年来,随着经济的发展,高层建筑结构应用已日渐广泛,对建筑施工技术带来新的挑战。随着建筑高度越来越高,高层建筑底板厚度越来越厚,底板由于温度应力产生裂缝在工程实践中屡见不鲜。混凝土裂缝成了混凝土结构的一种主要病害。大量的工程实践和理论分析表明,大部分裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下,不断产生和扩展,引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋锈蚀,使混凝土的强度和刚度受

2、到削弱、耐久性降低,严重时甚至发生结构倒塌事故,危害结构的正常使用,必须加以控制。因此对高层建筑超厚底板大体积混凝土结构施工技术进行研究,有着十分重要的工程意义.本文以高层建筑超厚底板大体积混凝土结构施工中的温度应力和温度变形控制为研究对象,针对高层建筑超厚底板产生裂缝的主要原因是温度应力和温度变形这一特点,重点研究底扳大体积混凝土温度应力产生和变化的机理,探讨防止底板大体积混凝土出现裂缝的施工技术,为工程施工提供切实可行的实践经验。本文的主要工作有:阐述了大体积混凝土及混凝土裂缝的基本概念、裂缝控制的实际意义,并对国内外在这个领域里的研究现状作了简要叙述。阐述了混凝土的基本物理力学性能,提出

3、大体积混凝土温度计算的方法和步骤以及大体积混凝土基础抗裂计算方法。阐述了大体积混凝土温度裂缝产生的机理和主要影响因素。阐述了防止大体积混凝土温度裂缝的主要技术措施。运用前面阐述的计算方法、步骤及控制理论,以中央电视台新台址工程该工程基础底板厚主要为.、.、.,局部厚度达.,属典型的超厚体积混凝土为例,计算施工期间的温度场和温度应力场,进而进行防裂工程分析,提出裂缝控制的技术措施,并指导实际施工,裂缝得到有效控制,达到预期效果。同时,该工程的研究应用,可为同类工程提供借鉴。关键词: 大体积混凝土,温度裂缝,裂缝控制,基础,施工重庆大学硕士学位论文英文摘要,.瓯., ,西 , ., .船 .,期邶

4、曲协 . 弱:, : ; ;钔 .鼯; 嬲. , ,. ,.英文摘要重庆大学硕士学位论文,: 独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得重庞太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。签字日期: 棚年月口日学位论文作者签名:务午学位论文版权使用授权书有关保留、使用学位论文的本学位论文作者完全了解重庭盔堂规定,有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘,允许论文

5、被查阅和借阅。本人授权 可以将学位论文的全部或部重废太堂分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。保密 ,在?年解密后适用本授权书。本学位论文属于 .不保密/。请只在上述一个括号内打“、/”学位论文作者签名: 导师签名:氧军妇年月日 签字日期:溉年,月,日签字期:重庆大学硕士学位论文绪论绪论.研究背景混凝土因取材广泛、价格低廉、抗压强度高,可浇筑成各种形状,并且耐火性好、不易风化、养护费用低,成为当今世界各类建筑结构中使用最广泛的建筑材料。混凝土最主要的缺点是抗拉能力差,容易开裂。近年来,我国基础建设得到迅猛发展,各地兴建了大量的混凝土结构工程,大体积

6、混凝土也越来越广泛,如各种型式的混凝土大坝、港工建筑物、高层建筑的地下室混凝土底板以及很多大型的基础承台都是用大体积混凝土浇筑而成的。在建造和使用过程中,有关因出现裂缝而影响工程质量甚至导致结构垮塌的事故报道屡见不鲜。混凝土裂缝成了混凝土结构的一种主要病害。大量的工程实践和理论分析表明,几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的,只是有些裂缝很细,甚至是肉眼看不见微观裂缝裂缝宽度小于.,一般对结构的使用无大的危害,可允许其存在;有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下,不断产生和扩展,引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋锈蚀,使混凝土的强度和刚度受到削弱、耐久性降低,严重时甚至发生结构倒塌事故,危

7、害结构的正常使用,必须加以控制。混凝土裂缝按产生的原因可以分为由荷载引起的裂缝即结构性裂缝和由变形变化引起的裂缝即非结构性裂缝两大类。据国内外调查资料表明,工程结构产生属于荷载引起的裂缝约占%,属于变形变化引起的裂缝约占%,而在变形引起的裂缝中,温度及混凝土收缩导致裂缝的占大多数。混凝土的裂缝控制是关系到结构能否满足正常使用要求的重要研究课题,这已成为政府和百姓共同关心的问题。同时大体积混凝土结构由温度而引起的裂缝及裂缝的开展也日益受到土木、水利等工程界人士的重视。国际坝工委员会年对大坝工作状态的调查报告显示【】:世界各国已建成的混凝土坝绝大多数或多或少存在温度裂缝,在遭受灾难性破坏的座混凝土

8、坝中,就有座是由温度问题引起的。我国宝钢焦化厂煤气精制电气室混凝土墙,硫铵仓库地基梁,煤焦综合电气室混凝土墙,经过一个冬季低温相继出现了裂缝。上海西郊虹桥开发区广场大厦施工中发现温度裂缝条,其中贯穿裂缝或深层裂缝条。香港某水处理厂水池施工完毕后,水池在很多部位出现裂缝,分析认为裂缝主要是温度变化引起的【。大体积混凝土基础结构在施工过程中,温度作用必然引起混凝土结构中材料的不均匀变形,从而在结构内部产生温度应力,大体积混凝土传热性能比较差,在结构内产生不均匀温度场,当受拉区混凝土材料的拉应变超过其极限拉应变时,绪论重庆大学硕士学位论文该处的材料将发生破坏,从而导致混凝土结构出现裂缝。裂缝的产生将

9、给结构带来一系列的劣化效应,如降低混凝土结构的整体性能、引起结构渗漏等。因此温度及裂缝问题已成为大体积混凝土的重要研究领域。.大体积混凝土的定义关于大体积混凝土的定义,目前尚无统一定义。美国混凝土学会的规定为:任何就地浇筑的大体积混凝土,其尺寸之大,必须要采取措施解决水化热及随之引起的体积变形问题,以最大的限度减少开裂”。日本建筑学会的定义是:“结构断面最小尺寸在以上,水化热引起的混凝土内的最高温度与外界气温之差,预计超过的混凝土,称为大体积混凝土,【”。大体积混凝土的特点除体积较大外,更主要是由于混凝土的水泥水化热不易散发,在外界环境或混凝土内力的约束下,极易产生温度收缩裂缝,因此仅用混凝土

10、的几何尺寸大小来定义大体积混凝土,就容易忽视温度收缩裂缝以及为防止裂缝而应采取的施工要求。至于用混凝土结构可能出现的最高温度与外界气温之差达到某规定值来定义大体积混凝土,也是不够严密的。实际上,除去最小断面尺寸和内外温差对大体积混凝土的裂缝产生有影响之外,结构的平面尺寸也有影响,因为结构平面尺寸过大,基础约束作用强,产生的温度应力也愈大。各种温差只有在“约束”条件下才能产生温度应力及随之而来的温度裂缝,要避免出现裂缝的允许温差还需由约束力的大小来决定,当内外约束较小时,混凝土的允许温差就大,反之则小。因此,以下列定义大体积混凝土应该更能反映大体积混凝土的工程性质:现场浇筑混凝土结构的几何尺寸较

11、大,且必须采取技术措施解决水泥水化热及随之引起的体积变形问题,以最大的限度减少开裂,这类结构称为大体积混凝土【】【】【。由于大体积混凝土工程的条件比较复杂,施工情况各异,再加上混凝土原材料的材性差异较大,因此控制温度变形裂缝是涉及结构计算、构造设计、材料组成、物理力学性能及施工工艺等多学科的综合性问题。因此,笔者认为:所谓大体积混凝土,就是指整个结构尺寸已经大到必须采取相应技术措施,妥善处理温度差值,合理解决温度应力并控制裂缝开展的混凝土。.混凝土裂缝的基本概念及其分类混凝土工程结构的裂缝问题是具有一定普遍性的技术问题。虽然结构物的设计是建立在极限承载力的基础上,但有些工程的使用标准都是由裂缝

12、控制的。因此,按混凝土的裂缝宽度不同,可将混凝土裂缝分为“微观裂缝”和“宏观裂缝”两种。重庆大学硕士学位论文 绪论.微观裂缝混凝土的裂缝理论不少,有唯象理论、统计理论、构造理论、分子理论和断裂理论。近代混凝土的研究,逐渐由宏观向微观过渡。借助于现代化的试验设备如各种实验显微镜、光照相设备、超声仪器、渗透观测仪等已经证实了尚未受荷的混凝土结构中存在着肉眼不可见的微观裂缝“微观裂缝”亦称“肉眼不可见裂缝”,宽度一般在.以下。不少学者考虑混凝土的实际结构,建立了构造模型如骨料和水泥石组成的“层构模型”、壳.核模型和组合盘体模型等。并通过弹性理论计算,从理论上证明了变形约束力可能导致三种类型微观裂缝:

13、粘着裂缝,即沿着集料周围出现的集料与水泥石粘结面上的裂缝。水泥石裂缝,即分布于集料之间的水泥浆中的水泥石裂缝。集料裂缝,即存在于集料本身的裂缝。以上三种微观裂缝,以粘着裂缝和水泥石裂缝较多,而集料裂缝较少。微观裂缝在混凝土中的分布是不规则的,沿截面是不贯穿的。因此,有微观裂缝的混凝土可以承受拉力,但结构物的某些受拉较大的薄弱环节,微观裂缝在拉力作用下,很容易串连贯穿全截面,最终导致较早的断裂。.宏观裂缝混凝土中宽度不小于.的裂缝是肉眼可见裂缝,亦称为宏观裂缝。宏观裂缝是微观裂缝不断扩展的结果。在混凝土工程结构中,由于微观裂缝对防水、防腐、承重等都不会引起危害,所以具有微观裂缝结构则可假定为无裂

14、缝结构。在结构设计中所谓不允许出现裂缝,也是指不出现宽度大于.的初始裂缝。由此可见,有裂缝的混凝土是绝对的,无裂缝的混凝士是相对的。产生宏观裂缝一般有外荷载、次应力和变形变化三种起因,前两者引起裂缝的可能性较小,后者是导致混凝土产生宏观裂缝的主要原因。宏观裂缝又可分为表面裂缝、深层裂缝和贯穿裂缝三种。表面裂缝大体积混凝土在浇筑的初期,由于水泥水化热大量产生,从而使混凝土的温度急剧上升。但由于混凝土表面散热条件较好,热量可以向大气散发,其温度上升实际比较少:而混凝土内部由于散热条件较差,热量不易向外散发,所以其温度上升较多。混凝土内部温度高、表面温度低,则形成温度梯度,使混凝土内部产生压应力,而

15、表面产生拉应力,当拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时,混凝土表面就会产生裂缝。混凝土表面裂缝虽不属于结构性裂缝,但在混凝土收缩时,由于表面裂缝处的断面已被削弱,易产生应力集中现象,能促使裂缝进一步开展。国内外对混凝土表面裂缝的宽度都有相应的规定,如我国的混凝土结构设计规范.,对重庆大学硕士学位论文 绪论钢筋混凝土结构的最大允许裂缝宽度就有明确的规定:室内正常环境下的一般构件为.,露天或室内高温环境下为.。深层裂缝基础约束范围内的混凝土,处在大面积拉应力状态。在这种区域若产生了表面裂缝,则极有可能发展成为深层裂缝。甚至发展成贯穿性裂缝。深层裂缝部分切断了结构断面,具有较大的危害性,施工中是不允许出

16、现的。如果设法避免基础约束区的表面裂缝,对混凝土内外温差控制适当,则基本上可避免出现深层裂缝。贯穿裂缝在大体积混凝土浇筑初期,混凝土处于升温阶段及塑性状态,弹性模量很小,变形变化所引起的应力也很小,所以温度应力一般可忽略不计。混凝土浇筑一定时问后,水泥水化热基本已释放,混凝土从最高温度开始逐渐降温,降温的结果引起混凝土收缩,再加上混凝土中多余水份蒸发等引起的体积收缩变形,受到地基和结构边界条件的约束,不能自由变形,导致产生拉应力。当拉应力超过混凝土极限抗拉强度时,混凝土整个截面就会产生贯穿性裂缝。一,一,。:丑,。,一?。,。:,。,;。,一;。二:至二二二二口。,。.表面裂缝.深层裂缝质穿裂

17、缝图混凝土温度裂缝.贯穿裂缝是危害最大的一种裂缝。它切断了结构的全断面,破坏了结构的整体性、稳定性、耐久性、防水性等,影响结构的正常使用。所以,应当采取一切措施,坚决控制贯穿裂缝的产生。.裂缝控制定义钢筋混凝土结构裂缝是一个带普遍性的技术问题。结构的破坏和倒塌都是从重庆大学硕士学位论文 绪论裂缝的扩展开始的,如强烈地震后震区的建筑物上布满了各种各样的裂缝,荷载试验的钢筋混凝土梁上出现大量裂缝等等。所以人们对裂缝往往产生一种破坏前兆的恐惧感。的确,裂缝的扩展是结构物破坏的初始阶段,结构物裂缝可以引起渗漏,引起持久强度的降低,如保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土碳化等。所以,习惯的概念,甚至某些验收规范

18、和某些工程现场都是不允许结构物上出现裂缝的。但是,近代科学关于混凝土强度的微观研究以及大量工程实践所提供的经验表明:结构物的裂缝是不可避免的,裂缝是一种人们可以接受的材料特征,裂缝既是结构的一种缺陷,也是结构的物理力学性质,无害裂缝是正常现象。著名钢筋混凝土工程裂缝治理专家、博士生导师、高级工程师王铁梦教授于年月日在中国建筑业协会混凝土分会四届二次理事大会湖南长沙上所作的关于钢筋混凝土工程裂缝治理的专题报告中也曾指出:“轻微收缩裂缝的处理与修补不是质量事故埘”。如对建筑物抗裂要求过严,必将付出巨大的经济代价,科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内。混凝土有裂缝是绝对的,无裂缝是相对的。结构

19、物的裂缝是不可避免的,要保证混凝土构筑物不出现裂缝可以说是不可能的,要想控制混凝土构筑物不开裂也是很难的,而只能把裂缝宽度控制在一个合理的范围内。我国的混凝土结构设计规范?,在对不同环境、不同介质情况下的钢筋混凝土结构的最大允许裂缝宽度就有明确的规定:室内正常环境下的一般构件为.;露天或室内高湿度环境下为.”。国内外有关规范对裂缝宽度都有相应的规定,一般都是根据结构工作条件和钢筋种类而定。控制裂缝宽度的理由是,过大的裂缝会引起混凝土中钢筋的严重锈蚀,降低结构的耐久性;同时,过大的裂缝会损坏结构的外观,引起使用者的不安。这些关于钢筋混凝土裂缝的控制、预测、预防和处理工作,称之为“钢筋混凝土结构的

20、裂缝控甫,这方面的研究课题具有重要的现实意义和技术经济意义。钢筋混凝土的裂缝控制有两个基本方面:作为到达使用极限状态界限的临界裂缝宽度的限值;裂缝宽度的计算。按照国际上近代结构的极限状态设计原则,整体建筑结构的功能必需满足两种极限状态的要求:承载能力的极限状态,以确保结构不产生破坏,不失去平衡,不产生破坏时过大的变形,不失去稳定,即不超过承载力的极限状态;正常使用极限状态,以确保结构不产生超过正常使用状态的变形、裂缝及耐久性、振动以及其它影响使用的极限状态。目前人们对第一极限状态已给予足够的重视并严格执行,而对第二极限状态却经常被忽视了。近年来,工程裂缝是影响正常使用极限状态的主要因素。裂缝产

21、生的原因主绪论重庆大学硕士学位论文要是变形作用,如温度变形、收缩变形、基础不均匀沉降变形等多因素,统称为变形作用引起的裂缝问题,此类裂缝几乎占全部裂缝的%以上。对于变形作用引起的裂缝研究还很不成熟,缺乏有关规范及规程,它涉及到结构设计、地基基础、施工技术、材料质量、环境状态等诸多因素,特别是泵送混凝土施工工艺的发展,使得混凝土裂缝控制的技术难度大大增加。例如过去干硬性及预制混凝土的收缩变形约为.?.,而现在泵送流态混凝土约为。,水化热也大幅度增高。大量实践证明:大体积混凝土工程条件复杂、施工情况各异,再加上混凝土原材料差异较大,研究控制温度裂缝就不单纯是结构问题,而且涉及到结构计算、构造设计、

22、材料组成和物理力学性质以及施工工艺等多学科的综合。目前对大体积混凝土温度裂缝控制主要采用传统的施工控制,并没有从大体积混凝土温度场变化和温度应力变化的规律性,特别是裂缝随温度变化的扩展规律,系统地有针对性地从材料、设计和施工提出有效裂缝控制的方案。工程实践中迫切需要对大体积混凝土结构温度裂缝产生与开展的理论研究和进一步研究混凝土温度场和温度应力场规律,从而完善大体积混凝土抗裂设计理论。因此此课题的研究将有较大的工程意义和经济效益。.大体积混凝土结构设计与施工的特点大体积混凝土结构的设计和施工不同于一般的混凝土结构,它有自己本身的一些特点。混凝土属于脆性材料,抗拉强度只有抗压强度的十分之一左右,

23、拉伸变形也很小,短期极限拉伸变形只有.×一,约相当于温度降低的变形;长期加载时的极限拉伸变形也只有.×。大体积混凝土结构断面尺寸比较大,混凝土浇筑后,由于水泥水化热,内部温度急剧上升,此时弹性模量很小,徐变很大,升温引起的压力不大。但在日后温度逐渐降低时,弹性模量较大,徐变较小,在一定约束条件下会产生相当大的拉应力。大体积混凝土通常是暴露在外面的,表面与空气或水接触,一年四季中气温和水温的变化在大体积混凝土结构中会引起相当大的拉应力。大体积混凝土结构通常是不配钢筋或钢筋数量很少,如果出现了拉应力,就要依靠混凝土本身来承受。基于上述特点,在大体积混凝土结构设计中通常要求不出现

24、拉应力或只出现很小的拉应力,对于自重、水压等外荷载,要做到这点一般不困难。但在施工和运行期间,在大体积混凝土结构中往往会由于温度变化而产生很大的拉应力。要重庆大学硕士学位论文 绪论将这种由于温度变化而引起的拉应力限制在允许范围内是颇不容易的。正是由于这个原因,在大体积混凝土结构中往往会出现这种所谓的韫度裂缝”。而建筑工程中,尤其是高层建筑基础工程中的所谓的大体积混凝土,其几何尺寸远比坝体小,而且还具有下述特点:混凝土强度级另较高,水泥用量较大,因而收缩变形大;均为配筋结构,配筋率较高,抗不均匀沉降的受力钢筋的配筋率多在.%以上,配筋对控制裂缝有利;由于几何尺寸不是十分巨大,水化热温升较快,降温

25、散热亦较快,因此,降温与收缩的共同作用是引起混凝土开裂的主要因素;地基一般比坝基弱,地基对混凝土底部的约束也比坝基弱,因而地基是非刚性的;控制裂缝的方法不象坝体混凝土那样,要采用特制的低热水泥和复杂的冷却系统,而主要依靠合理配筋、改进设计、采用合理的浇筑方案和浇筑后加强养护等措施,以提高结构抗裂性和避免引起过大的内外温差而出现裂缝。根据上述特点,可以认为这类结构所承受的温差和收缩,主要是均匀温差和均匀收缩,因而外约束应力是主要的。经验表明,要防止大体积混凝土结构中出现危害性的裂缝,须精心设计、精心施工,才能使裂缝得到控制。所以说,温度应力分析、温度控制和防止裂缝的措施,是大体积混凝土设计与施工

26、中十分重要的课题。.大体积混凝土结构温度裂缝控制的研究现状早在二十世纪年代,“工业建筑温度伸缩缝问题在建筑领域里是属于一个具有规范性质的问题,而不属于什么了不起的学术问题值得深入探讨。但是工程实践不时地出现反常现象。有些工程长度超出规范许多却不开裂,而有些工程很短却严重开裂,这就引起广大工程师、学者的关注,开始研究温度应力、温度控制和裂缝控制这一具有重要工程意义的实践课题。近年来,工程规模日趋扩大,结构形式日益复杂,工程中裂缝问题更加突出.近代科学关于混凝土强度的微观研究以及大量工程实践所提供的经验都说明,结构物的裂缝是不可避免的,裂缝是一种入们可以接受的材料特征,如对建筑物抗裂要求过严,将会

27、付出巨大的经济代价;科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内。这些关于裂缝的预测、预防和处理工作,称为“建筑物的裂缝控制”。有关它的科学研究工作具有重要意义和技术经济意义。但迄今国际上一些有关研究的论文和技术报告都只是零散地发表在期刊杂志上,且并不多见,而对于温度应力和温度控制的研究则已日趋完善。在工程上,国内对大体积混凝土一般采用经验公式计算其中心最高温度一、重庆大学硕士学位论文绪论表面温度,及施工期温度应力,具有简化计算、易于运用的特点。但由于在温度计算中未能考虑混凝土内部温度的连续性及连续变化的外界气温影响,同时对浇筑厚度的温降修正系数也采用经验值,很难确切地反映实际施工过程中的温度场

28、变化的规律。对于施工期温度应力的计算,由于假设温度场与实际的温度场不符,加上没有考虑徐变的影响,不能准确地反映出混凝土的应力场,因此很难依据这些经验公式计算结果对实际工程做到“了解温度应力,及时采取有效措施”。目前,许多学者在已有的工作基础上,应用飞速发展的计算技术,综合多学科的基本理论,考虑混凝土的入模温度、混凝土的弹性模量的变化、水泥水化热散热规律、外界气温变化、养护措施、地基约束及徐变影响等因素,采用有限差分法或有限单元法求解一、二及三维大体积混凝土温度场;而温度应力场则多采用有限单元法取得结果【。文献【玎“】系统地总结了近期大体积混凝土温度与裂缝控制研究结果。其中,文献口铡重阐明各种工

29、业结构的裂缝控制方法,相应地提出了在工程中已成功地实施的防止裂缝出现各种方法;而文献【从理论上介绍了温度场和温度应力场的计算方法,并己在水工结构分析中得到了广泛应用。近年来,尤其是一些高校正在继续对温度与裂缝控制进行深入的研究。例如文献【以实际工程为背景,对施工裂缝进行了研究,从中提出了优化的混凝土材料配合比方案,同时还就测温控制进行了探讨;文酬即认为温度裂缝研究若采用三维求解,限制了工程应用,该文采用分层板模型,将三维问题简化为维求解瞬态温度场的解析解,简便实用,该文还指出,开裂指数抗拉强度除以实际最大拉应力为时开裂可能性概率仍大于%,即使.时,开裂可能性才小于%;文献【】提出水化热规律采用

30、指数函数表达比用双曲函数更符合实际;文献”指出。入仓温度、绝对温升各气温的正确取值是正确求得瞬时温度场的必要条件,并就如何取得上述初始值提出了看法;文献【运用体积开裂概率概念研究大体积混凝土抗裂可靠性,对大体积混凝土裂缝控制具有重要意义。与此同时,混凝土温度场及温度应力场的仿真计算也受到工程界的重视。考虑到仿真计算中存在诸多随机性,就温度场获得而言,首先是边界条件的近似处理,其次是气温、水泥和日照影响的随机性,再次是从原材料温度到混凝士出机温度、浇筑温度的估算,第四是组成混凝土的配合比的随机性引起的绝热温升随机性;第五是混凝土热学指标的随机性,包括导热系数导温系数等,这些参数往往需按半经验半理

31、论公式换算,属统计参数。就温度应力场的获得而言,一方面随机温度场的随机性,另一方面,混凝土材料力学特性如弹性模量,徐变等都应视为随机性更为合理。重庆大学硕士学位论文 绪论.本文研究的主要内容混凝土作为目前用量最大的一种建筑材料,已广泛应用于工业与民用建筑、水利、城市建设、农林、交通及海港等工程。但由于温度的影响大体积混凝土容易产生温度裂缝,如何控制并在设计中如何考虑裂缝的问题是施工和设计最关心的事情。本文主要从大体积混凝土裂缝控制的理论出发,分析了裂缝产生的机理和主要原因,提出了大体积混凝土裂缝控制的方法,并应用到了实际工程,结果表明,其研究成果具有较强的工程应用价值。重庆大学硕士学位论文混凝

32、士结构温度收缩裂缝控制理论混凝土结构温度收缩裂缝控制理论.计算温度应力的基本假定关于温度应力的理论研究由来已久,在年.就以地基为无限刚性的基本假定,用弹性力学理论计算出浇筑在无限刚性基岩上的一片矩形墙的温度应力。由于其基本假定与实际有出入,故限制了其应用范围。于年日本的森忠次又研究了类似的问题,开始他亦假定地基为无限刚性的,研究了非线性温度应力分布的问题。后来他又研究温度应力与地基刚度成非线性的关系。但由于其计算冗繁,且由于无穷级数解取的项数有限而使内力曲线跳跃,故不便使用。美国垦务局考虑基岩非刚性影响,计算中以“有效弹性模量”代替混凝土的实际弹性模量,使浇筑于非刚性基岩上的结构的温度应力有所

33、降低,与实际靠近了一步。与此同时,我国的水利电力科学研究院亦对混凝土坝的温度应力进行了大量的理论研究和模型试验,潘家铮、朱伯芳等人在这方面都取得了不少研究成果。建筑工程中,尤其是高层建筑基础工程中的所谓的大体积混凝土,其几何尺寸远比坝体小,而且还具有下述特点:混凝土强度级别较高,水泥用量较大,因而收缩变形大;均为配筋结构,配筋率较高,抗不均匀沉降的受力钢筋的配筋率多在.%以上,配筋对控制裂缝有利;由于几何尺寸不是十分巨大,水化热温升较快,降温散热亦较快,因此,降温与收缩的共同作用是引起混凝土开裂的主要因素:地基一般比坝基弱,地基对混凝土底部的约束也比坝基弱,因而地基是非刚性的;控制裂缝的方法不

34、象坝体混凝土那样,要采用特制的低热水泥和复杂的冷却系统。而主要依靠合理配筋、改进设计、采用合理的浇筑方案和浇筑后加强养护等措施,以提高结构抗裂性和避免引起过大的内外温差而出现裂缝。根据上述特点,可以认为这类结构所承受的温差和收缩,主要是均匀温差和均匀收缩,因而外约束应力是主要的。针对上述特点,以冶金部建筑科学研究院王铁梦同志建立了一种计算方法,结果比较符合实际。.混凝土的基本物理力学性能混凝土是一种非均质的合成材料,其物理力学性能与组成材料的各自性能有关。计算混凝土的温度及收缩应力时,常涉及到混凝土各龄期的收缩及收缩当量温差、弹性模量、极限拉伸值、松弛系数等几个相关的性能。重庆大学硕士学位论文

35、 混凝土结构温度收缩裂缝控制理论.混凝土各龄期的收缩及收缩当量温差混凝土中含有大量的孔隙、粗孔及毛细孔,这些孔隙中存在水份,水份的活动影响到混凝土的一系列性质,特别是产生“湿胀干缩”的性质对裂缝的控制有重要作用。混凝土的水份有化学结合水、物理.化学结合水和物理力学结合水三种类型,其中%的水份要蒸发,只有%的水份是水泥硬化所必须的。多余水份的蒸发会引起混凝土的收缩,这种收缩变形不受约束条件限制,若有约束即可能引起混凝土的开裂,并随着龄期的增长而发展。混凝土水化作用时产生体积变形,称为“自生体积变形”。该变形取决于凝胶材料的性质,多数为收缩变形【珏】。混凝土的收缩主要由于干燥收缩、碳化收缩和温度收

36、缩三部分组成。在干燥收缩中,水泥水化时约%的水所产生的一种与外荷载或温湿度变化的直接影响无关的变形称“自生变形”,其值约为.;另外,%左右的水份蒸发时引起混凝土的体积收缩,其值约为.。碳化收缩过程是空气的与混凝土水泥石中的反应生成碳酸钙,放出结合水而使混凝土收缩。而温度收缩是指当混凝土温度下降时产生的线收缩,其值为为混凝土的线膨胀系数,为结构计算温差。由于“自生变形”收缩和碳化收缩其值较小,为简化计算只取用混凝土中多余水份蒸发引起混凝土的体积收缩以及温降收缩这两项。混凝土收缩机理比较复杂,随着许多具体条件的差异而变化。国内外统计资料说明,可以采用下列指数函数表达式进行收缩值的计算;.占朋;一产

37、?必式中:,?混凝土各龄期的收缩值仃曲触;巧?标准状态下的最终收缩值即混凝土的极限收缩,一般可取.;所谓标准状态,系指用号普通水泥;标准磨细度;骨料为花岗岩碎石;兰:.;水泥浆含量为%;混凝土用振动捣实;自然硬化:试件截面为截面水力半径的倒数.;测定收缩前湿养护;空气相对湿度为%;?经验系数,一般取.;混凝土龄期;】【】。、?旷一考虑各种非标准状态下的修正系数为水泥品种修正系数、为水泥细度修正系数、为骨料品种修正系数、为重庆大学硕士学位论文混凝土结构温度收缩裂缝控制理论水灰比修正系数、为水泥浆量修正系数、为养护条件修正系数、为环境相对湿度修正系数、为构件尺寸修正系数、为混凝土捣实方法修正系数、

38、为考虑配筋率的修正系数。各修正系数具体数值见表.。表. 修正系数曲.水泥骨料 水泥%。水黼 崦 坞 盹细度 品种 浆壤%普蝴 舶 唧 花岗岩 加.舢 . .岱 矿渣糯 玄赠 伪. 姗 . 加 . 加 快燃 石灰岩. .低热概 砑砂衡 加 舵 .秘田劁铌 无酬 砌 储 咖 岔 ?:废水泥 石赭佣 岱 晒 脚捅鳓割铌 白云岩.敛矾±概 砂岩一 一一, , 姚 职水泥跚 养护 树 揭实等地职湿度舭 缸时间 操啾, . 签 笛 .加者通水泥 机撇矿殖水泥 伪 . . 西 人工捣实快硬搋 仍 . 蒸榭. 商瑶媲 . .醴低僦召耐碴慨 加 . 如 啷锱 . 知旁牙扰舶 挠穗捌妮 甥 . . .矾

39、±妮注:水力半径倒数;一构件截面周长?构件截面面积;?钢筋的弹性模量、截面积:瓦?掘凝土的弹性模量、截面积。混凝土内部的水份蒸发引起的体积收缩,这种收缩过程是由表及里逐步发展的。由于温度的不均匀,收缩变形也随之不均匀,这样就在混凝土内部引起相当大的应力,从而导致混凝土的开裂。因此,在温度应力计算中必须将这个收缩因混凝土结构温度收缩裂缝控制理论重庆大学硕士学位论文素考虑进去。为了计算工作的方便,可将收缩变形值换算成“收缩当量温差”,即收缩产生的变形相当于引起同样变形所需要的温度,可用下式计算:警式中:。?混凝土各龄期的收缩当量温差;口?混凝土的线膨胀系数,取.混凝土的弹。陛模量在一般的

40、钢筋混凝土结构设计中,混凝土弹性模量主要用于结构变形的计算,其数值对结构的应力影响不大,而且当结构承受设计荷载时,混凝土龄期通常已较晚,所以在一般的钢筋混凝土结构设计中,对混凝土弹性模量的数值及其与龄期的关系,在精度上要求不是太高的。大体积混凝士结构有所不同,在浇筑初期是升温阶段,处于塑性状态,混凝土的弹性模量很小,由变形变化引起的温度应力也很小,一般可忽略不计。但经过数日,混凝土的弹性模量随着时间迅速上升,此时由于变形变化引起的温度应力也随着弹性模量的上升而显著增大,因此必须考虑弹性模量的变化规律。混凝土的弹性模量可以采用表达式.进行计算:.一.式中:置。?一定龄期时的混凝土的弹性模量;?龄

41、期为时的混凝土的弹性模量;一混凝土的龄期。.混凝土的极限拉伸值混凝土的抗裂能力取决于混凝土的极限拉伸值。混凝土的极限拉伸值占。,由瞬时极限拉伸值占。和徐变变形占。两部分组成:.%占月占.国内外的试验资料表明,瞬时极限拉伸值占。的离散性很大,影响因素很多,特别与施工质量的关系很大。徐变变形值占.与温差、收缩变形速度有关,一般情况下,占.的值与占,的值相等,所以计算时占,可取为倍的占,为安全起见,则取,.?混凝土的瞬时极限拉伸值占。,与混凝土的龄期有关,还与配筋有关,适当配置钢筋能提高混凝土的瞬时极限拉伸值。大量工程实践的调查表明,合理的配筋,无论对于温度应力或收缩应力作用下的结构,都能有效地提高

42、其抗裂能力。大体积混凝土结构的表面,受到不稳定的温差和收缩的作用,因而产生自约束应力,常引起混凝土的表面裂缝。构造钢筋在混凝土面层中起了强化作用。因此对于每个具体工程,如何改善混凝土的非均质性和提高混凝土的极限拉伸值,必须综合各方面的因素全面进行研究。重庆大学硕士学位论文 混凝土结构温度收缩裂缝控制理论考虑龄期和配筋的影响后,混凝土的瞬时极限拉伸值可按下式计算旧【】:.吲尹×。?卷式中:占肿?龄期为的混凝土瞬时极限拉伸值;.,:?混凝土的抗拉强度设计值;?配筋率不加百分数,如.%,则.;?钢筋的直径。.混凝土的松弛系数】【钢筋混凝土结构在荷载作用下,不仅产生弹性变形,而且随着时问的延

43、长还产生非弹性变形,即徐变,徐变引起应力松弛。徐变引起的温度应力松弛,对防止混凝土开裂有益,因此在计算混凝土温度应力时应考虑应力松弛的影响。松弛与加荷时混凝土的龄期有关,龄期越短,徐交引起的松弛也越大;另外,还与应力作用的时间长短有关,应力作用时间越长则松弛亦越大。在计算温度应力时,徐变所导致温度应力的松弛程度,用混凝土的松弛系数,表示,它是松弛应力与弹性应力的比值。表.和表.分别给出了考虑荷载持续时间和龄期影响的松弛系数和忽略混凝土龄期影响的松弛系数表.考虑荷载持续时间和龄期影响的应力松弛系数 . 血 眦曲 劬天 天 天天 . . . . . . . . . . . . . . . . .

44、. . . . . . . . . . . . .加 . . . . . . . .注:表示荷载持续时间,表示龄期。混凝土结构温度收缩裂缝控制理论重庆大学硕士学位论文表.忽略混凝土龄期影响的松弛系数. . . . . . . . . .,理论上如果混凝土的应变超过当时的混凝土极限抗拉应变,一般会在混凝土结构中部附近由于中间应力最大出现第一条裂缝。由于裂缝的出现,产生应力重分布,每块结构又产生自己的应力分布,图形与上述基本相同,只是最大值由于长度的缩短而减少,如果此后的应变数值仍然超过当时的混凝土极限抗拉应变,则又会形成第二批裂缝,将各块结构再一分为二。裂缝如此继续开展下去,直至各块结构中间的最

45、大温度应力小于或等于当时的混凝土极限抗拉强度为止。在理论上此类裂缝先在结构的中问出现,这是一个规律。但由于混凝土是非匀质材料,其抗拉强度不均匀,因而有时不象理论上分析的那样,裂缝皆是首先出现在中间。裂缝,二二工二二二,;一裂缝出现之前基缝 裂缝一工二二二一裂缝出现之前口?:。,口工口工工丘工工口工裂缝 裂缝一工二五一裂缝出现之前“, ¨.“,幻工睑幻工睑口碱】工图.在温度应力作用下结构裂缝开展过程. 重庆大学硕士学位论文 混凝土结构温度收缩裂缝控制理论.混凝土温度的计算在大体积混凝土施工时,为防止表面裂缝产生,必须控制温差,进行各种温度的计算。.混凝土的绝热温升计算所谓“绝热温升”即

46、在混凝土周围没有任何散热条件、没有任何热损耗的情况下,水泥水化热全部转化为使混凝土温度升高的热量。在绝热条件下的混凝土的绝热温升,可利用美国垦务局提出的公式计算:.毛瓦一一式中:正。?在龄期时混凝土的绝热温升;?混凝土的最终高绝热温升,指全部水泥的水化热完全转化为使混凝土温升后的最高温度值;。?每千克水泥的水化热,见表.;、?每立方米混凝土中的水泥用量【,;?辊凝土的比热,可取./?;?.、混凝土的密度/,一般取/;?常数,.;一随混凝土浇筑温度、水泥品种等而异的系数.,见表.。表. 值曲.浇筑温度. . . . .表.水泥水化热量. 水泥品种每公斤水泥的水化热水泥标号 普通硅酸盐水泥矿渣硅酸

47、盐水泥重庆大学硕士学位论文 混凝土结构温度收缩裂缝控制理论.混凝土内部温度非绝热温升的估算在实际工程中,混凝土块体并不是处在绝热状态。混凝土浇筑后,就有一个初始温度即浇筑温度。随后,一方面受水泥水化热的影响,混凝土内部温度将逐渐上升,另一方面由于与周围介质进行热交换,热量又在不断向外散发。因此,在非绝热状态下,混凝土内部的实际温度是一个由低到高,又由高到低的变化过程。直至各种初始因素水化热、浇筑温度等的影响渐次消失后,温度才趋于稳定。由于结构物的散热边界条件较复杂,要精确地计算混凝土内部在不同龄期的实际温度甚为困难。在实际工程中,一般可按下式进行近似估算:.巧级式中:乙?龄期时混凝土内部实际温

48、度;?混凝土浇筑温度;瓦?棍凝土最高绝热温升;?镯降系数。随浇筑块厚度与混凝土龄期而异旧【”】。根据水利水电科学研究院的资料,各龄期不同厚度结构的水化热温升与绝热温升的关系是:结构厚度愈薄,水化热温升阶段则愈短,温度峰值出现较早,很快产生降温。结构厚度愈厚,则水化热温升阶段越长,温度峰值出现较晚,且持续时间较长。实际上,混凝土的水化热温升还与外界气温有关。外界气温愈高,水化热温升阶段愈短,温度峰值出现愈早,且持续时间愈长。这是由于气温影响水泥水化速度,且气温高时不易散热之故。不同结构厚度,非绝热温升状态下混凝土水化热的温升与绝热温升的比值%见表.。表.%的比值删秭幽硝%,. . . . . .

49、结构厚度. . . . . .乒%.混凝土表面温度的估算混凝土结构的表面温度受外界气温、养护方法、结构厚度及混凝土本身性能等许多因素的影响。可用下式近似估算:重庆大学硕士学位论文 混凝土结构温度收缩裂缝控制理论.五 %,:面%可式中:弦?龄期时混凝土的表面温度;?龄期时的大气环境温度;¨混凝土结构的计算厚度,双面散热按下式计算:.式中:.一混凝土结构单面散热时的虚厚度五;按下式计算:五?龄期时,混凝土中心温度与外界气温之差,.,.一公式.中的混凝土结构虚厚度呵按下式计算:,:足三 .式中:,一混凝土的导热系数,可取./?;?计算折减系数,根据试验资料可取为.;?模板及保温层的传热系数

50、,?。值可按下式计算:.声弼式中:玩?模板及各种保温材料的厚度四;?模板及各种保温材料的导热系数/?;以?空气层的传热系数,可取/?。.混凝土的水泥水化热降温温差计算准确的计算混凝土的水泥水化热降温温差有一定的困难。而混凝土的水泥水化热降温温差相似于混凝土的水泥水化热升温温差,因此,可计算混凝土浇筑后因水泥水化热的升温值来确定水泥水化热降温温差值。混凝土因水泥水化热引起的温升分布如图.所示。其中为混凝土结构表面因水泥水化热而升高的温度数值。为混凝土内部因水泥水化热而升高的最大温度值。而为混凝土内部因水泥水化热而平均升高的温度值。因此.五妄五一正混凝土结构温度收缩裂缝控制理论重庆大学硕士学位论文图.水泥水化热引起的温升分布 .由式.或表.求得,由式.求得后,代入式.即可求得各龄期混凝土的水化热降温温差值。.混凝土结构计算温差混凝土结构计算温差可按下式计算:.乃。.大体积混凝土基础抗裂计算国内外实践证明:大体积混凝土释放的水化热会产生较大的温度变化和收缩作用,由此产生温度应力和收缩应力两部分,它们是导致混凝土产生裂缝的主要因素。从而影响基础的整体性、防水性,构成对结构物的隐患,须认真对待。工程实用抗裂计算可按下列步骤进行,在步骤中,将降温温差看成由水化热温差和收缩当量温差两部分组成,它们都可分解均匀降温