暗柱對某變電站混凝土墻體收縮性能的影響研究

蔣昱楠，劉 勇，魏珍中，李 林，鄭玉超

(山東電力工程咨詢院有限公司，山東 濟南 250013)

1 概述

改革開放以來，隨著我國建筑技術水平的提高，以及城市用地的日益緊張，為滿足城市電力供應需求，地下變電站等工業建筑不斷涌現。對于地下混凝土結構而言，由混凝土的不均勻收縮、水化熱等引起的混凝土墻體施工期開裂問題對混凝土結構整體穩定性的影響更為突出。在地下變電站建筑中，如果墻體在施工期產生過多的非結構性裂縫，會嚴重影響結構的耐久性及內部設備的正常使用，在一些特殊地形中，更會產生地下水滲漏，造成經濟損失與人員傷亡。因此，對鋼筋混凝土墻體施工期約束收縮裂縫的研究有利于保證整個地下變電站的正常使用及耐久性，節約由此產生的資源浪費，具有很強的現實意義。

目前，國內外針對混凝土墻體的約束收縮問題進行了大量研究。Tazawa等[1-2]從混凝土配合比方面入手，對不同配合比的混凝土進行自由收縮試驗。研究結果表明，混凝土的自由收縮會隨水灰比的降低而增大；在混凝土中加入某些摻合料能有效地減小混凝土的自收縮；K.van Breugel等[3]在室內試驗的基礎上，研究了鋼筋對高強混凝土早期收縮開裂的影響。通過對混凝土施加不同的養護溫度和設置不同的配筋率，分析了鋼筋對混凝土早期開裂的影響。試驗結果表明，鋼筋可以在一定程度上抑制混凝土早期收縮裂縫的出現。王鐵夢先生[4]提出了預測混凝土收縮應變隨齡期變化的“王鐵夢模型”，并提出“抗”與“放”的裂縫防治理念；郭昌生等[5]采用平均剛度法，推導了受樁基底板約束的超長混凝土墻板收縮應力的簡化計算公式，并通過該公式對不同參數下超長墻體的收縮應力進行計算。結果表明，底板約束作用對墻體收縮應力的發展具有重要影響。

由上述研究可以看出，現有的對于混凝土墻體收縮性能的研究大部分只針對混凝土墻體本身，在地下變電站中，通常在設計時會在墻體中設置一定數量的暗柱來增強結構整體穩定性并承擔部分荷載，暗柱在施工時一般與墻體同時澆筑，其中配筋方式與周圍墻體有所差異，因此，與暗柱同時澆筑時的墻體收縮性能和墻體單獨澆筑時的墻體收縮性能也會有所差異，基于此，本文利用有限元分析軟件DIANA，以某地下變電站工程混凝土墻體為工程基礎，進行與暗柱同時澆筑時的墻體收縮性能分析，并與墻體內無暗柱時的情況進行對比。

2 模型建立

2.1 工程簡介

本文以某地下變電站工程混凝土墻體為工程基礎進行分析。混凝土強度等級為C30，工程混凝土配合比見表1，鋼筋為HRB500型鋼筋。

表1 混凝土配合比(強度等級：C30P8) kg/m3

用于本文分析中的混凝土墻體厚1 000 mm，澆筑高度5 150 mm，澆筑長度50 m，為保證整體結構的穩定性和安全性，墻體內部設置了寬度為1 m的暗柱，各暗柱中軸線距離為8 m，暗柱具體布置情況如圖1所示。

混凝土墻體內豎向與水平配筋均為HRB500，直徑22 mm，間距150 mm。

如圖1所示，暗柱截面尺寸為1 000 mm×1 000 mm，配4根直徑25 mm的角筋，四邊各配5根直徑22 mm的中部筋，箍筋HRB400，直徑8 mm，間距200 mm(7×7支箍，布置方式如圖2所示[6])，箍筋加密區1 000 mm(底部1 850 mm)。

2.2 模型參數及監測點選取

本文使用有限元分析軟件DIANA進行建模分析，為更好的分析暗柱對墻體收縮性能的影響，特設置墻體內無暗柱的情況進行對照。各參數取值情況如下：

收縮曲線采用我國規范GB 50496—2018大體積混凝土施工標準[7]中的公式進行計算：

(1)

混凝土彈性模量隨齡期變化規律按式(2)進行計算：

E(t)=βE0(1-e-φt)

(2)

抗拉強度隨齡期變化規律按式(3)進行計算：

ftk(t)=ftk(1-e-γt)

(3)

混凝土材料本構模型采用總應變旋轉裂縫模型，拉伸軟化曲線選用荷蘭學者Hordijk于1991年提出的Hordijk拉伸軟化模型，該模型混凝土應力-應變關系如下[8]：

當0≤ε<ε0時：

σ=Ec×ε

(4)

當ε0≤ε≤εcr時：

(5)

(6)

其中，ε0為混凝土受拉峰值應變；εcr為混凝土受拉極限應變；Gf為混凝土斷裂能，N/mm；C1，C2均為系數，可分別取3，6.93。

鋼筋網片選用Grid鋼筋網片單元進行建模，鋼筋本構模型選擇理想的雙折線應力-應變曲線。

墻體有限元模型如圖3所示。

由于墻體長度中間截面所受約束程度最大，是貫穿裂縫的高發區，因此，在本小節研究中，主要對該截面上的應力進行研究。各點位置如圖4所示。各點沿墻長度方向正應力分別用符號σyy1，σyy2，σyy3，σyy4，σyy5，σyy6(拉正壓負)表示。

3 結果分析

3.1 應力分析結果

墻體內有暗柱時與無暗柱時的中間截面各點在澆筑后6 d,7 d兩種情況的應力分析結果對比見表2。由表2可以看出，墻體內有暗柱與無暗柱時的中間截面應力結果差距并不大。且經分析表明，此時墻體的整體應力變化趨勢與無暗柱時基本一致。

表2 墻體內有無暗柱時應力分析結果對比

由此分析結果可以看出，當墻體內存在暗柱時，其對墻體施工期約束收縮應力值的影響很小。

3.2 裂縫分析結果

為更形象的表示暗柱的設置對墻體收縮性能影響，本小節中首先介紹墻體單獨澆筑時的裂縫發展情況。

當墻體單獨澆筑時，在墻體澆筑后8 d時，由于混凝土的收縮以及基礎底板的約束作用，墻體中間截面處出現豎向貫穿裂縫，在墻體澆筑9 d后，在距墻體端部約1/4L處出現貫穿裂縫。隨著時間的推移，在墻體距端部約1/8L和3/8L處又出現兩條裂縫，且最靠近端部的裂縫約與地面呈45°角向外傾斜，此時墻體的裂縫分布圖如圖5所示。

經分析表明，當墻體內存在暗柱時，在澆筑后8 d，在中間兩暗柱與墻體交界處產生兩道豎向貫穿裂縫，如圖6(a)所示，從圖6可以看出，此時大部分貫穿裂縫集中在墻體與暗柱的交界處。這可能是由于暗柱的收縮變形小于墻體，二者之間存在變形差，導致連接處產生拉應力，進而產生貫通裂縫。

經過對比圖5，圖6的分析結果可以看出，當墻體內設置暗柱時，墻體施工期的約束收縮裂縫多出現在墻體與暗柱的交界處。

經分析墻體內有、無暗柱時的墻體最大貫穿裂縫寬度位于墻體頂部，如圖7所示，經查閱相關資料，墻體施工期約束收縮裂縫最大寬度值的分布情況主要與墻體長高比L/H有關，當L/H>3.0時，墻體更易在整個高度范圍內形成貫穿裂縫[9]，當L/H>5.0時，貫穿裂縫寬度從底部向墻壁頂部增加，其最大寬度位于墻壁上邊緣；當2.0

墻體內有、無暗柱時的最大貫穿裂縫寬度(以ωmax表示)對比見表3。從表3可以看出當墻體內存在暗柱時，墻體的貫穿裂縫寬度要比無暗柱時大。

表3 墻體內有無暗柱時ωmax值對比

通過本節的有限元分析結果可以看出：當墻體內設置暗柱時，墻體與暗柱的交界處是收縮裂縫的高發區，在施工期間要尤其注意對該處的收縮裂縫防治。

4 結語

本文以某地下變電站工程混凝土墻體為工程基礎，進行了與暗柱同時澆筑時的墻體收縮性能分析，得出如下結論：

1)施工階段，墻體有、無暗柱時的墻體收縮應力分析結果相差不大。

2)當墻體內存在暗柱時，墻體施工期收縮裂縫主要分布于墻體與暗柱的交界處。

3)與暗柱同時澆筑時，墻體最大貫穿裂縫寬度要大于墻體單獨澆筑時的情況。

4)當墻體內設置暗柱時，墻體與暗柱的交界處是收縮裂縫的高發區，在施工期間要尤其注意對該處的收縮裂縫防治。