关于大面积混凝土温度应力的研究

2022-09-12

近年我国已涌现出一大批平面尺寸超长、超大的建筑物, 这些建筑物多采用部分预应力混凝土框架结构, 不设或少设伸缩缝。如果设计和施工中不采取有效措施, 其楼盖和屋盖会大面积开裂, 严重形响使用。由于这类建筑物的楼盖或屋盖在设计和施工中要进行特殊处理。因此, 通常称为大面积混凝土梁板结构 (以下简称大面积混凝土) 。大面积混凝土的温度应力分析也成为工程技术人员十分关注的问题, 由于结构的温度应力与混凝土收缩、徐变有直接关系, 因此分析有很大难度。根据东南大学华东预应力中心在一些大面积混凝土工程中的实践, 作者采用了一套以弹性有限元分析为基础的设计方法, 本文介绍这种方法和大面积混凝土设计中的一些相关问题。

1 计算温差的确定

混凝土的收缩和气温的变化都会引起大面积混凝土在平面内不可忽视的变形因此在分析结构的温度应力时不但要考虑结构温度变化的影响。分析时通常将混凝土收缩换算成等效温差, 与结构的温度变化叠加得到计算温差, 然后按计算温差对结构进行温度应力分析。

混凝土收缩是引起大面积混凝土开裂的主要原因之一, 混凝土的收缩变形与施工质量、添加剂及配合比等因素有直接关系, 计算时要适当考虑这些因素的影响。算出混凝土的收缩值通常无法直接用于计算, 要将其换算成等效温度作用, 与结构的实际温度作用叠加。计算方法很筒单, 将混凝土收缩变形除以混凝土的线膨胀系数即可得到等效温差。如果混凝土的收缩量为300×10-6, 线膨胀系数为10-5, 则等效很差为300C。

温度变化也是引起大面积混凝土开裂的一个重要原因, 设计时要考虑的主要是季节温差。即结构从混凝土浇筑到温度最低点的温差, 很多工程设计时不能预先确定混凝土浇筑时间, 可取结构中夏天的最高温度与冬天的最低温度之差。由于温度应力什算, 要的是结构内部的温度面不是大气温度。因此, 通过传热学方法由构件周围气温算出构件内部的温度。根据本地区的气象资料, 可以方便地推算出室外构件的季节温度变化;对于室内构件如楼板, 不需要考虑围护结构的保温特性和空调等因素。因为影响因素很多, 要精确计算构件的季节温差有一定难度, 所以设计中一般采用估算值, 基本上可满足计算精度要求。若要获得温差的准确值, 需进行现场侧试。

将季节引起的温差与混凝土的收缩当量温差叠加。这两个温差代表的都是降温直接相加即可。

2 弹性有限元分析

计算出混凝土的收缩当量温差及结构实际温差后, 就可以使用SAR、ANSYS等通用有限元程序来分析结构在温差作用下的应力。在对实际结构的分析中, 开裂会引起结构刚度降低, 因此比较精确的计算应当采用非线性有限元分析, 但是由于非线性分析计算工作量太大, 且计算结果不易把凝, 故目前均采用弹性分析, 分析结果作为混凝土中的名义拉应力。

在弹性有限元分析中, 由于实际结构中梁中板等构件三个方向上的尺寸通常不在一个数量级内, 若按三维实休元进行分析, 势必需要非常细的网格划分, 用普通的PC机根本无法完成计算, 需分别用梁、板单元来模拟梁和楼板。但由于这两种单元的节点自由度不同, 无法考虑柱的扭矩, 且粘合后梁轴线和板中面在同一平面内, 因此粘合时会引起一定的误差。根据作者试算在分析多层框架结构温度应力时引起的误差在10%左右, 所以用梁、板单元来模拟梁和楼板进行结构的温度应力分析是可行的, 而且也是目前分析框架结构应用最多的一种模型。当然, 更精确的模型是将梁也作为与楼板垂直的板单元进行分析, 但是这种模型的建模难度比梁、板单元粘合模型大很多, 因此很少有人采用。

3 几点措施

根据结构中的应力及变形分布, 可以在设计中采取措施控制裂缝, 使结构能够满足正常使用极限状态。大面积预应力混凝土一般采用大跨度的部分预应力混凝土框架, 框架梁中的拉应力可由预应力等效荷载抵消一部分甚至是全部, 且由于部分应力混凝土梁在竖向荷载作用下通常已经开裂, 水平拉力只是使原有裂缝宽度略有增大。因此, 框架梁的抗裂验算通常不难满足。

目前楼板或屋面板主要有以下三种方法。

3.1 膨胀剂和预应力配合使用

这种作法在结构长度超过200m的超长结构中非常普遍。由于混凝土膨胀剂的膨胀作用主要发生在早期, 以UEA为例, UEA混凝土在水中养护14年, 限制膨胀率在0.03%左右.以后在室内养护1年, 收缩率在0.02%左右, 即UEA混凝土从养护结束到浇筑1年这段时间中, 混凝土收缩约为0.05%。因此使用膨胀剂可以有效地解决结构的早期裂缝, 但后期还需要采取其他措施防止开裂。而预应力往往在结构混凝土浇筑1个月后甚至更长时间才能张拉完毕, 因此将这两种措施配合使用, 可以很好地控制裂缝。板中的预应力筋可以兼作受力钢筋。但是大面积混凝土结构楼盖或屋盖往往采取主次梁体系, 这样就使沿单向板长边方向的预应力筋只能布置在板中面位位置, 因此预应力筋的利用往往并不充分。

3.2 仅靠普通钢筋控制裂缝宽度

目前该作法主要用于长度在200m以下的结构中, 其楼板上往往会出现大量规范允许范围内的细小裂缝, 因此要特别注意楼面装修和屋面防水的作法。在板的上下布置双向钢筋网, 根据对轴拉构件的分析, 如果采用II级钢, 板在受拉力方向的配置率应当大于0.004, 如果配筋率在0.013以上, 可以不进行裂缝宽度的验算, 若配筋率在二者之间.需要验算裂缝宽度.普通钢筋的布置应当尽量细、密, 这样才能更好地分散裂缝, 减小裂缝宽度。

3.3 综合方法

通过膨胀剂来防止早期开裂, 减小混凝土的最终收缩率, 再配普通钢筋来控制裂缝宽度。

以上三种作法并没有严格的应用范围, 上述结构长度200m的分类也只是作者根据搜集的资料进行的粗略总结, 设计中采取何种措施, 实际上是由经济性、结构的功能要求等因索决定的。

需要注意的是, 混凝土的收缩、预应力的压缩作用及温度变化引起的应力都与结构的约束程度有直接关系, 结构的约束越强, 应力越大。结构的变形就越小。对于梁板结构等受拉构件, 应当在允许范围内尽量选择较小的截面尺寸, 这样不但可以减小用于抵抗拉力和控制裂缝的钢筋面积, 且有利于减小柱子、墙等抗侧力构件承担的水平力。另外, 大面积混凝土结构的边柱往往有很大的侧移, 边柱柱脚可能出现严重的开裂, 甚至会引起往子纵筋的粘结锚固破坏。因此需对侧移较大的柱子进行特殊处理, 如通过柱脚配置型钢或使用钢纤维混凝土来加强柱子抵抗侧移的能力, 或将柱脚做成铰或柱子从中间避开来减小柱子的抗侧刚度, 以提高柱子的变形能力。