無粘結預應力鋼筋混凝土板施工期開裂模擬研究

楊紅艷 趙 虎

(中石化勝利建設工程有限公司，山東 東營 257000)

無粘結預應力鋼筋混凝土板施工期開裂模擬研究

楊紅艷 趙 虎

(中石化勝利建設工程有限公司，山東 東營 257000)

結合某無粘結預應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、環境溫度變化等引起的混凝土板內部應力情況進行了模擬，并依據模擬得到的應力分析了板的開裂情況，最后提出了一些預防鋼筋混凝土板產生裂縫的可操作性方法。

預應力混凝土，混凝土板，水化熱，裂縫

1 概述

某石油化工研究院建設項目位于遼寧大連旅順口區科技創新園內，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件或結構相比，溫度變化導致的熱脹冷縮變形在大跨度混凝土結構中產生的后果更嚴重，因此，對跨度大的鋼筋混凝土結構而言，施工中的溫度裂縫是需要注意的問題[1-3]。

對于預應力混凝土構件而言，預應力張拉前產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應力鋼筋的銹蝕，預應力鋼筋的銹蝕會影響到該預應力混凝土構件的使用壽命，甚至會導致構件的突然垮塌。本文結合某實際工程52.5 m長度的緩粘結預應力混凝土板構件，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、環境溫度變化等引起的混凝土板內部應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位于北半球的暖溫帶地區，該地區年平均氣溫10.5 ℃，極端氣溫最高37.8 ℃。針對該預應力鋼筋混凝土板，為比較在不同時間澆筑時，混凝土板內應力變化情況，對分別在2月份(冬季)、5月份(春季)、8月份(夏季)、11月份(秋季)澆筑的無粘結預應力鋼筋混凝土板進行了水化熱分析。

通過查看當地2月份，5月份，8月份，11月份的氣象資料(如圖1所示)，結合施工現場環境，將車庫頂板上部、板下部大氣溫度按正弦函數取值。

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 ℃。有限元分析中依據現場所使用的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，熱傳導率2.3 kcal/(m hr·℃)，對流系數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構構件而言，徐變和收縮特性會對構件的受力特性產生影響；在正常養護的條件下，混凝土強度將隨齡期的增長而不斷發展[4]；據此，在midas中，定義了徐變和收縮函數、混凝土強度隨時間的發展規律。在混凝土結構中，對流熱換是結構表面傳熱的一個重要組成部分，由于混凝土結構完全暴露在大氣中，太陽輻射和對流交換作用就成為混凝土結構產生裂縫的重要原因，混凝土在凝結硬化過程中因為水泥的化學反應會釋放熱量，因為混凝土的導熱系數低，散熱慢，如果膠凝材料水化[4-6]產生的熱量不能及時散掉會引起溫度裂縫的產生。據此，在midas中，分別定義了大氣溫度，對流函數和熱源函數。

按上述參數設置，取板內5048節點作為分析對象(見圖2)，圖3，圖4分別為2月份，8月份澆筑混凝土時，該混凝土板內5048節點處的應力和容許抗拉強度隨時間變化圖。

由圖3可以看出：節點5048的容許抗拉強度隨澆筑時間持續增長，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，而拉應力隨澆筑時間發展趨勢跳躍性較大，澆筑后的10 h～30 h出現壓應力，隨后混凝土內部出現拉應力并隨澆筑時間變大，在澆筑84 h時，拉應力與容許抗拉強度大小一致，澆筑84 h后，拉應力開始大于容許抗拉強度，這意味著此時極易出現裂縫，應注意該時間點前后的養護，澆筑后84 h～421 h，節點5048處拉應力大于容許抗拉強度，從澆筑421 h～556 h，節點5048處拉應力小于容許抗拉強度，從澆筑556 h～664 h，節點5048處拉應力大于容許抗拉強度，隨后拉應力小于容許抗拉強度；考慮到混凝土的離散型，在拉應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生。裂縫一旦產生，裂縫位置截面成為構件的薄弱面，而裂縫周圍部位，因為裂縫的產生引起了應力重新分布，而使周圍部位的拉應力得到釋放而減小。

由圖4可以看出：因為8月份澆筑時，外界環境溫度較高，節點5048的容許抗拉強度隨澆筑時間持續增長變化趨勢相似，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，拉應力隨澆筑時間發展趨勢雖有跳躍性，但遠不如2月份澆筑的變化大，澆筑后的0 h～60 h會出現壓應力，隨后混凝土內部出現拉應力并隨澆筑時間變大，在澆筑16 h時，拉應力達到最大，但該拉應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生裂縫，此后，拉應力變化不大，且一直小于該節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，節點5048的最大拉應力變化圖?？梢钥闯觯合嗤B護條件下，在2月份澆筑時，拉應力值最大，8月份澆筑時，拉應力值最??；因為2月份澆筑時，外部環境溫度低，此時混凝土內外溫差大，由此引起的內外溫度變形差大，所以拉應力大；8月份澆筑時，外部環境溫度高，此時混凝土內外溫差小，由此引起的內外溫度變形相差小，所以拉應力小。

3 結論及建議

通過對模擬結果的分析得到的主要結論如下：混凝土構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，前期設計時要充分考慮，施工時既要注意散熱，又要適當保溫，并防止失水過快。 混凝土早期裂縫的普遍存在，會給結構的正常使用帶來不利影響。總的來說，裂縫的產生源于其收縮變形受到約束時產生的拉應力超過其即時抗拉應力，或收縮應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，應從設計、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生及其發展。

[1] 袁 勇.混凝土結構早期裂縫控制[M].北京:科學出版社,2004.

[2] 陳 萌.混凝土結構收縮裂縫的機理分析與控制[D].武漢：武漢理工大學博士學位論文，2006.

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

[4] 王鐵夢.工程結構裂縫控制[M].北京:中國建筑工業出版社,1997.

[5] 江懷雁.室外溫、濕度波動對現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.混合結構房屋現澆樓板裂縫的試驗研究與有限元分析[J].建筑結構學報，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

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