超长混凝土框架（共8篇）
超长混凝土框架 篇1
1 问题的背景与提出
随着我国经济建设的迅速发展和建筑技术水平的提高, 超长混凝土结构不断在大型公共建筑和工业建筑中出现。在施工过程中, 必须重点考虑超长混凝土结构、温度应力等因素, 通常情况下, 这些因素是引起结构裂缝的主要原因。所以对超长混凝土结构温度应力的分析并研究其有效的控制技术具有重要的意义。本文利用midas软件对某工程框架结构进行温度作用分析, 根据温度分析结果进行设计, 防止结构产生裂缝。
2 超长混凝土框架结构温度应力的有限元分析模型
本工程为地上6层的超长建筑, 平面尺寸为:92.4mx118m, 层高4.5米。 (图1)
3 分析的温度取值
建筑在正常使用阶段室内温度介于10-25℃之间, 结构处于升温状态, 混凝土不产生拉应力, 温差效应不起控制作用, 以此仅对施工阶段的温差效应进行分析。假设工程主体封顶的温度为10℃, 取最低温度为-24℃, 温差为-34℃。考虑混凝土的热惰性等影响将混凝土模型的温差效应乘以系数0.3, 因此模型中的取温度为-10℃。
4 分析结果
图2~4为一层~三层楼板应力图, 从图中可以看出, 一层楼板的应力多数分布在0.9~1.2MPa间, 二层以上楼板应力均小于0.1MPa。图5~7为一层~三层梁应力图, 从图中可以看出, 一层梁X方向应力分布在0.8~1.8MPa, 二层以上梁X方向应力均小于0.2MPa, Y方向结构不超长, 因此应力比较小。
5 结论
超长框架结构楼板配筋按照如下规律, 一层楼板应根据计算结果进行配筋, 二层以上可以根据规范要求进行构造配筋。超长框架结构梁配筋按照如下规律, 一层梁按照计算结果通过配置梁腰筋的形式来抵抗温度应力。
摘要：随着城市建设的蓬勃发展, 各种大型建筑频频出现。建筑结构不但在高度上超高, 同时在水平方向上也超长。建筑对不设缝结构的单体长度要求越来越高, 随之工程师们就提出了超长结构的无缝设计, 而在施工过程中, 温度作用对超长混凝土结构会产生很大的温度应力, 从而使混凝土结构产生裂缝, 本文经分析得到超长框架结构受温度应力影响较大位置在一层, 从二层往上逐渐减小。
关键词：超长结构,温度场,温度应力
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社, 1997 (01) .
[2]虞菊芳, 陈朝阳, 朱晗迓, 等.超长混凝土结构温度应力分析[J].低温建筑技术, 2004 (4) .
[3]陈军毅.超长混凝土结构的温度应力分析与控制技术研究[D].浙江大学, 2006 (02) .
混凝土质量检查超长取芯施工技术 篇2
关键词：混凝土；质量检查；超长取芯；施工技术
中图分类号：C93 文献标志码：A 文章编号：1000-8772（2012）19-0134-02
1 前言
东江电站工程大坝混凝土质量检查的诸多方法中，对混凝土进行钻孔取芯，压水试验，并对所取芯样作物理力学性能检测，是对混凝土质量进行检查的一项重要方法，其结果也是评判混凝土质量的一项主要指标。尤其在大体积混凝土中，超长芯样更直观的揭示混凝土原状，真实地反映出混凝土的质量情况，超长芯样的取得对混凝土密实程度、层面胶结情况等质量方面的鉴定能提供更为有力的证据。东江电站主体工程混凝土质量终检孔施工中，在大体积混凝土中，先后在大坝的各部位常态混凝中先后取出了直径为φ195～φ197，长度为7.64～12.52m的几根完整长芯样，很直观地反应了混凝土的质量。
2 钻孔技术
2.1 钻孔结构要求
2.1.1孔径较大。混凝土长芯样的钻取，最适宜的孔径为φ219，也可采用φ168；
2.1.2孔深较深。考虑到采用整根长岩芯管取芯效果较好，而孔口几米由于受设备及工艺限期，一般不宜取长芯，所以孔深宜设计在20.0m～30.0m。
2.1.3垂直精度较高。如果钻孔垂直偏差较大，钻具在钻进过程中容易产生振动，使芯样承受较大的侧向压力，造成混凝土芯样在浇筑层面或密实性欠佳等部位产生断裂，所以应确保钻孔有较高的垂直精度。
2.2 钻机选型及材料准备
2.2.1 钻机选型。基于钻孔结构要求，要确保长芯样钻取时芯样不断，选用400型—800型回转取芯钻机，如XY-4型、YL-6A型、GQ-60型、GQ-80型等钻机，该类钻机特点是自重大，稳定性好，钻杆直径大，回转精度较高，钻进稳定，钻进扭矩大，适合于φ168以上的大口径取芯钻进。在上机之前应调整好钻机立轴动力头与滑轨之间的间隙，要保证立轴动力头在钻进时很平稳，消除引起钻机钻进不平稳的一切因素。
2.2.2 材料准备。钻具与钻杆等管材的弯曲度应＜0.3%，螺纹连接后应保证同轴度＜φ0.05mm，端面与轴线的垂直度＜0.10mm。钻杆宜选用φ89或φ114的钻杆，大钻杆刚性较强，在钻进过程中受压抗弯曲性能较好，钻进平稳，可避免钻杆晃动对芯样产生扰动；并能承受较大的扭矩，不易发生孔内事故。
2.2.3 金刚石钻头与扩孔器的选用。开始取长芯样时，根据所取部位混凝土的特性及可能切割的钢筋与冷却水管（钢管）预估数量，确定金刚石钻头的有关配方参数，在此要求金刚石目数为40～45#，品级为JR5，钻头胎体硬度为25°～28°。
2.3 确定合理的钻进参数
根据金刚石的性质和破碎机理，金刚石钻进具有以高转速为主体钻进特点，但必须配以相应适当的压力，尽量减少对金刚石及芯样的振动冲击作用，并需有足够的水量，保证钻头充分冷却。根据理论计算和实践证明，在混凝土取芯施工过程中，采用下列合理的钻进参数，是取得长芯样并获得最佳钻进效率的重要保证。根据混凝土骨料硬度级配不同与钻进过程中孔深的不断加深，长芯样钻进时效应控制在0.3～0.5 m/h；孔底钻进压力根据混凝土的实际的抗压强度，可控制在5～10MPa，随着孔深的增加，钻具与钻杆自身重量将增大，应适时使钻机反向加压，以便调节孔底钻进压力；转速控制在60～180r/min，冲洗液量控制在50～100L/min。
2.4 钻进施工过程控制
2.4.1 场地要求。长芯样在取芯时一般要求吊车或门塔机配合，运输时需要8.0m长以上的拖车，所以混凝土长芯样孔位布置时应考虑施工场地应满足上述要求。
2.4.2 固机开孔。孔位放样完成后，必须采用地锚将钻机机架固定，钻机就位后对准孔位，并用经纬仪或垂直吊线法将钻机调平，准备就绪后方可开孔。开孔应采用钻机的最低转速，一般为40～60r/min，钻压采用低压，确保开孔的垂直度。
2.4.3 正常钻进。正常钻进时钻进压力、水量、转速应统一调整到最佳状态。采用短岩芯管开孔钻取至一定孔深后，可开始取长芯样。长芯样钻取时应尽量采用长岩芯管钻进，以便减少对芯样的扰动。若混凝土强度较高，岩芯管的连结同轴度能满足要求，也可采用短岩芯管用空心直接头连结进行钻进。当芯样长度达到要求后，确认芯样未断，应采用整根长岩芯管取芯。
2.4.4 钻进冲洗液。如有必要可选用润滑冲洗液钻进，以提高冲洗液携带岩粉的能力，避免钻孔过程中产生的岩粉及碎渣沉积对芯样产生扰动，并及时冷却钻头，还能使芯样完整光洁。一般润滑剂采用普通洗衣粉就可以。高效润滑剂有L-HP等产品，该润滑剂除润滑性能好，净洗率强外，还有较好的抗钙镁和抗乳能力，能在芯样表面形成保护膜，可进一步提高在混凝土缺陷部位取得原状芯样的成功率。为防止钻进冲洗液对工作面的污染，应对冲洗液进行净化和回收。
2.4.5 钻进过程中应特别注意的几个问题
（1）正常鉆进时，注意对钻进压力与转速的调整应做到协调一致，使钻进进尺均匀，如果转速上升了，钻进压力过小，则进尺很慢，容易使该处芯样与孔壁受到磨损，使芯样表面不平滑，呈竹节状，同时易造成孔斜，对芯样产生侧压力。钻进参数的控制与调整要求各施工班组应统一执行。
（2）钻进过程中遇到钢筋或冷却水管等钢结构物体时，应注意减小孔底钻进压力，适当加大水量，降低转速，直至切穿，同时严密注视回水量大小，以免因钻破冷却水管后突然失水，造成卡钻。
（3）在长芯样钻进前应选好钻头与扩孔器，一旦开始钻进，中途不得改用其它钻头与扩孔器，以免因前后所使用的新旧钻头内外径不一致，造成扩孔或芯样缩径，容易使已钻芯样断裂。
（4）单管钻具混凝土取芯卡料应采用粒径2mm左右颗粒均匀的石英砂。在准备取长芯样开钻时应加大进水量，将上一回次取芯后遗留在孔底的部分石英砂冲出，对于少量颗粒较粗未冲洗出来的石英砂，应在开孔进尺约15cm之后，将钻具上提50 cm左右，加大水量将粗颗粒石英砂冲洗至15cm深的槽口内，然后放下钻具将槽内沉砂低速磨碎后冲出，否则在长芯样钻进过程中很可能因粗颗粒卡料掉入岩芯管与长芯样缝隙之间，容易卡断长芯样。
3 取芯技术
长芯样钻到长度满足要求之后，应尽量采用长岩芯管取芯。长岩芯管底部安装好相应规格的卡簧座与卡簧，利用卡簧座与卡簧将芯样底部卡住，然后在孔口利用夹板将岩芯管夹住，采用两个5t的千斤顶同时均匀加压顶住夹板，将芯样从卡簧底部处强行拉断。在装有卡簧的岩芯管下入孔底过程中，严禁向上提动岩芯管，以免将芯样卡断，芯样拉断后可向岩芯管与长芯样间隙之间加满粒径小于0.5mm的均匀粉砂，以便在芯样吊运过程中起到保护芯样的作用。
卡簧座加工制作材料与规格要求与所使用的岩芯管一致，管壁厚度不宜小于8mm，卡簧是一个断面呈倒立契形的薄壁圆环，契形坡角为4°～6°，薄壁圆环内面可车几道宽约2 mm的槽口。卡簧嵌于卡簧座对应的槽口内，卡簧座底部内表面可倒车成喇叭口，以便于岩芯管下放。当岩芯管下好之后，一般向上稍微提动岩芯管，则卡簧相对下滑可将芯样卡住。如果芯样直径过小，卡簧卡不住，则可加入少量石英砂至卡簧内表面2mm的槽口内，则立即可将芯样卡住。
4 芯样吊运与存放
芯样拉断后可利用钻机卷扬或吊装设备进行吊运，吊运前应将相应长度的槽钢斜靠某一支架上，将芯样吊出之后顺向缓慢放入槽钢并绑扎好之后，连同槽与装有芯样的岩芯管一并放平，然后采用工字钢制作的专用长芯样吊装横梁将槽钢与岩芯管一并吊入拖车，拖车内预先应铺砂并采用三角枕木垫平，以防运输过程中道路不平使芯样断裂。芯样吊运至存放地点后，将卡簧座取下，一边用水冲洗岩芯管内粉砂，一边用千斤顶与葫芦顶压芯样至槽钢内存放，为了长期保存，防止芯样发生龟裂，可在芯样表面涂刷一层透明保护膜。
超长框架结构的温度应力分析 篇3
近年来，兴建了大批超大型公共建筑，如停车库，候车厅，医院等。这些超大型建筑的尺度远远超过了混凝土规范规定的伸缩缝最大间距。为了保证建筑造型或结构的整体性，这些结构往往都不设伸缩缝，而是通过施工措施和温度计算来减小或者抵抗温度应力。
本文通过对一超长混凝土框架结构的计算和构造来讲述超长结构的设计构造措施。该工程位于武汉市郊，为一大型综合医院的裙房部分，见图1。
该部分结构长124.5 m，宽99.3 m，为钢筋混凝土框架结构。为了造型和采光需要，中间医疗间开有4个16.8 m×10.7 m的洞，入口处有一个25.2 m×23.4 m的采光天井，靠近北部主楼一侧有2个洞口，且平面有较大的凹入。为了保证结构的整体性和造型的需要结构不设缝。
该工程主体结构设计使用年限为50年，根据《建筑结构荷载规范》武汉地区基本风压为W0=0.35 k N/m2(n=50年，高度不超过60 m)，基本雪压0.50 k N/m2(n=50年)。根据该规范附录E.5，武汉市月平均最低气温Tmin=-5℃，月平均最高气温Tmax=37℃。
根据《建筑抗震设计规范》的规定，武汉地区基本设防烈度为6度。根据《建筑工程抗震设防分类标准》，该项目的抗震设防类别应划为重点设防类。按当地政府令，本工程必须进行专门的地震安全性评价工作。根据地震安全性评价的结果，地震加速度为0.102g，相当于按略高于7度考虑地震作用，按7度考虑抗震措施。
2 结构计算
采用Etabs计算软件，建立整体模型，进行受力性能分析。框架梁柱采用杆单元，楼板采用壳单元模拟。壳单元按控制最大边长不大于1.0 m划分网格，壳单元与杆单元协调变形，共同工作。
温度作用分析的参数取值:武汉市月平均最低气温Tmin=-5℃，月平均最高气温Tmax=37℃。考虑建筑外保温作用及建筑内部空调作用，取结构最高平均温度Ts,max=30℃，结构最低平均温度Ts,min=10℃。
后浇带合龙时的月平均温度取15℃～25℃。即结构最低初始平均温度T0,min=15℃，最高初始平均温度T0,max=25℃。
结构的最大温升工况:
结构的最大温降工况:
混凝土结构考虑应力松弛及刚度折减因素，可取0.7的折减系数。温度作用的分项系数1.4，组合值系数0.6，频遇值系数0.5，准永久值系数0.4。
2.1 温度作用在楼板中产生的应力
经计算分析，温度作用主要在二层和三层产生应力，二层的温度应力云图见图2。
第二层洞口边贯通处的温度应力最大，约为1.7 MPa，折合所需的抵抗温度应力的板内钢筋面积为1.7×130×1 000/360=490 mm2，板中原竖向荷载作用下的板底受力钢筋面积加上抵抗温度应力所需的钢筋的面积即为板底所需的钢筋面积，全部贯通至支座。板面用温度钢筋拉通，支座局部附加短钢筋，二者的面积之和大于温度应力所需钢筋和竖向受力所需钢筋的面积之和。
第三层的温度应力约为0.8 MPa，第四层的温度应力仅仅为0.3 MPa，板混凝土强度等级为C40，其抗拉强度设计值为1.71 MPa，能够抵抗温度应力，所以不再附加钢筋来抵抗温度应力。
屋面部分考虑到其与外界接触，温差较大，因此按照规范要求设置温度收缩钢筋，该钢筋一方面抵抗温度应力，另一方面可以有效防止屋面开裂带来的漏水等问题。
2.2 温度作用在框架梁中产生的效应
温度作用在框架梁中产生拉力，该拉力的大小由梁中的附加腰筋来承担，将温度所需的腰筋与抗扭所需的腰筋相加，然后将相应面积的钢筋分布在梁的两侧和顶面。梁的腰筋要满足相应的构造要求，间距不大于200，二层贯通梁的轴力最大值约为520 k N，所需增加的用来抵抗温度应力的钢筋面积为520×1 000/360=1 450 mm2。三层贯通梁的轴力最大值为250 k N，所需的抵抗温度应力的梁钢筋面积小于梁的构造腰筋的面积。三层以上梁的轴力值较小，按照构造配置的腰筋已经可以抵抗该部分的温度应力。
2.3 温度作用对框架柱的影响
温度作用按可变作用考虑，其荷载分项系数1.4，组合值系数0.6，频遇值系数0.5，准永久值系数0.4。通过计算，温度作用仅对边柱的内力有影响。为了增强该结构的整体稳定性，使其满足周期比的要求，边梁和边柱截面增大较多，均为构造配筋。所以框架柱的配筋没有因为温度作用而加大。
3 构造措施
混凝土结构进行温度分析的目标是控制结构裂缝大小，通常采取构造措施，如设置后浇带，增配构造钢筋，加强洞口梁板和采取保温隔热措施。
3.1 设置后浇带
采用纵向3道，横向2道伸缩缝，将结构分为12个部分，每个部分的尺寸约为40 m，均小于55 m，后浇带采用比相应部位的混凝土强度等级高一个等级的微膨胀混凝土浇筑，要求在其相应部位的混凝土构件浇筑不少于2个月后才能封带，并且控制封闭时候的温度为20℃左右。因为混凝土材料约40%的收缩或徐变发生在最初的28 d,60%发生在最初的90 d中，因此在这段时间里留后浇带能大幅度减小徐变或收缩产生的约束力，减小甚至避免混凝土开裂。
3.2 设置温度钢筋
如前所述，在温度应力较大的二层和三层及屋面部分，设置双层双向的通长钢筋，钢筋的间距不大于200，直径不小于8。
3.3 加强洞口周边梁板
为了保证结构的整体性，避免洞口周边的应力集中造成梁板的开裂，将各层洞口周边的板加厚，且板内钢筋双层双向拉通。洞口周边的梁的腰筋增大20%左右。
3.4 加强保温隔热措施
屋面采用120厚泡沫混凝土保温层。外墙为200厚加气混凝土砌块，外做50厚复合硅酸盐板。外窗选用断热型铝合金灰色吸热中空玻璃窗。
4 结语
超长超大型混凝土结构的应用愈来愈广泛，本文通过对超长混凝土结构的计算分析与构造措施来讲述超长混凝土结构的设计要点，旨在以最小的成本达到最佳的效果。本工程通过在温度应力较大部位适当增配温度钢筋来抵抗温度应力，设后浇带等措施来释放温度应力等，取得的效果较好。目前主体结构已经封顶，后浇带已封闭，从现场检测结果看，未见开裂现象，表明这种以抗—放结合来减小温度作用危害的措施是可行的。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,2006.
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[3]杜波,赵建国.超长多跨连续梁温度裂缝控制技术[J].施工技术,2000(14):36-38.
超长混凝土结构温度应力分析 篇4
一、温度应力计算原理
实际结构在环境温度作用下的应力分布、开裂形态是一个时变的、非线性的复杂问题, 环境温度变化时, 结构两侧分别向内收缩或向外膨胀, 在结构的平面刚度形心附近存在一个不动点。距离不动点越远的地方, 产生的变形越大。以图1所示的框架结构为例, 在没有柱子约束的条件下, 第i根柱子处的变形计算公式为:
式中, i为不动点为基准的柱子序号, l为框架跨度, Δt1为与混凝土成型时的环境温度相比较的变化量, αT为混凝土的热胀系数, 一般为1×10-5m/ (m·℃) 。
当楼盖与柱子整浇在一起时, 楼盖的变形会带动柱子产生侧向位移。如果柱的上下端位移一致, 柱子中将不产生内力。显然, 为了协调这一变形, 柱子上会产生剪力、弯矩等内力。这些因素相互作用, 使实际各支撑柱处产生的变形比式 (1) 计算的略小。因此, 如果柱顶、柱底处于不同的环境温度时, 第i根柱子的剪力Vi可以由下式得出:
式中, Δt为柱子上下端所处的环境温度差;D为柱抗侧移刚度, 根据结构力学公式, 可得到D=12EcIc/H3, 式中H为柱子高度;Ec、Ic为柱子的弹性模量、惯性矩。而楼盖中的平均拉应力为:
式中, Nj为不动点起第j跨的楼盖轴力, A为楼盖横截面面积。 , 柱子的剪力同时将引起弯矩, 其峰值为:
式中, β为反弯点距离柱顶、柱底的距离与柱子高度的比值。
此弯矩由与柱子相连的框架梁 (包括翼缘板) 承担, 对于顶层楼盖, 中柱情况下, 两侧梁刚度基本一致, 弯矩由左右梁平均分配这一弯矩, 而对于边柱, 这一弯矩仅由一根梁平衡, 因此, 与中柱、边柱相连梁的最外层纤维所受到的弯矩拉应力分别为:σM, 中=βHVj/2W, σM, 边=βHVi/2W。可以预见, 这一拉应力同时也会影响作为翼缘的楼板应力。
二、多层框架结构温度应力的特点
温度应力实际上是一种约束应力, 约束应力包括内约束应力和外约束应力。引起温度应力的温度荷载一般可分为季节温差、骤然温差和日照温差等, 长期缓慢的季节温度变化作用于结构整体, 对结构的变形影响较大, 依据大量的实践经验, 多层钢筋混凝土框架结构的温度应力计算有如下特点。
1. 假定基础上地下室不变形, 多层框架按两层计算 (只考虑地面以上两层框架, 顶层计算时只考虑顶部两层框架) 。
2. 多层框架的最不利部位是变形不动点的横梁, 此处承受着最大的轴拉力 (收缩时) 。假定是对称结构, 结构中间部位横梁可能开裂, 并且在下部1、2层开裂较严重;端部柱子承受着最大的弯矩和剪力, 可能出现主根弯曲和剪切破坏, 如图2、图3所示。
3. 多层框架中间部位横梁内力最大, 变形最小, 端部内力最小, 变形最大。
三、温度应力对楼板的影响
温度作用引起的板中应力可分为两部分, 其一为轴向拉力引起的拉应力, 其沿楼板横向截面基本均匀分布, 沿楼板厚度方向也基本均匀分布, 危害较大。其二为弯矩引起的拉应力, 其引起的拉应力不会形成贯通裂缝, 同时, 开裂后内力将会发生重分布, 由未开裂部分承担内力, 影响要小得多。需要注意的是, 温度作用下的弯曲应力将会与正常使用下的荷载作用相叠加, 在不利组合下, 会加剧、加速裂缝的发生和发展, 特别是梁的支座截面。
四、结论
通过对温度作用的理论分析, 可以得出如下结论。
1. 竖向构件的抗侧刚度对超长结构温度应力影响很大, 刚度越大, 受温度作用影响就越大。
2. 温度作用中存在一个“不动点”, 距离不动点越远, 竖向构件的受力就越大;越近, 水平构件的受力就越大。
3. 超长混凝土结构受降温影响较大, 升温作用对结构无太大影响。
4. 计算温度作用时, 可以仅考虑地面以上两层或顶部两层, 中间层温度作用基本可以忽略不计。
超长混凝土的理论与施工实践 篇5
结构产生裂缝的因素很多, 设计, 施工, 使用不当和正常使用都可能出现裂缝。很多裂缝因为无害所以是允许的, 如最常见的是钢筋混凝土梁、板等受弯构件, 在使用荷载作用下往往出现不同程度的裂缝。普通钢筋混凝土构件在承受了30%—40%的设计荷载时, 就可能出现裂缝, 肉眼一般不能察觉, 而构件的极限破坏荷载往往在设计荷载的1.5倍以上。所以在一般情况下钢筋混凝土构件是允许带裂缝工作的 (这类裂缝称之为无害裂缝) 。但对大量地下建筑物, 在处于恶劣条件下的建构筑物及盛液构筑物裂缝是极其有害的, 所以在钢筋混凝土设计规范中, 分别不同情况规定允许裂缝的最大宽度为0.2mm～0.3mm, 设计时要对裂缝进行验算。对实际中那些宽度超过规范规定的裂缝, 以及不允许开裂的构件上出现裂缝, 影响了结构的抗渗, 防腐, 耐久性等, 需加以认真分析, 慎重处理。
1 裂缝产生的主要原因
(1) 设计问题:计算模型不正确, 荷载计算不正确, 漏算荷载, 未考虑最不利情况, 或荷载比设计荷载增加很多而未采取加固措施。一些工程设计突破了规范规定长度后, 未计算和考虑温度应力, 地下室墙的水平钢筋仍按构造配置, 这些都是造成开裂的设计原因。
(2) 设计构造原因:结构构件断面突变或开洞、留槽引起应力集中;构造处理不当、现浇主梁在搁次梁处如没有设附加箍筋、或附加吊筋以及各种结构缝设置不当等因素容易导致混凝土开裂。
(3) 地基不均匀沉降造成裂缝:开裂主要原因是不均匀沉降, 裂缝的大小、形状、方向决定于地基变形的情况, 由于地基变形造成的应力相对较大, 也使得裂缝一般是贯穿性的。
(4) 施工不当造成的裂缝:混凝土是一种人造混合材料, 其质量好坏的一个重要标志是成型后混凝土的均匀性和密实程度。因此混凝土的搅拌、运输、浇灌、振实各道工序中的任何缺陷和疏漏, 都可能是裂缝产生的直接或间接成因。模板构造不当, 漏水、漏浆、支撑刚度不足、支撑的地基下沉、过早拆模等都可能造成混凝土开裂。构件堆放、运输、吊装时的垫块或吊点位置不当、施工超载、张拉预应力值过大等等均可能产生裂缝。施工过程中, 钢筋表面污染, 混凝土保护层太小或太大, 浇灌中碰撞钢筋使其移位等都可能引起裂缝。
以上几类因数造成的裂缝通过精心设计, 精心施工及地基处理都是比较容易避免的, 工程中常见的超长混凝土裂缝是由混凝土收缩, 温度湿度变化, 配比及养护不当造成的。混凝土在结硬的过程中发生收缩, 温度变化时会热胀冷缩, 当这两种变形受到约束后, 在结构内部就会产生收缩应力和温度应力, 这两种应力分别超过混凝土抗拉强度时就会导致混凝土开裂而形成收缩裂缝或温度裂缝。超长混凝土结构中较多见的是在收缩应力和温度应力共同作用下所产生的温度收缩裂缝。这几类因数造成的裂缝难以从量上准确控制, 计算模式也不成熟, 只有通过分析计算结合经过实践考验的有效构造及精心施工, 精心养护, 才可避免。现逐一分析这几类原因早成的裂缝及解决方案和工程实例
2 收缩变形
混凝土收缩变形主要由三部分组成, 自生收缩, 沉缩和水分蒸发收缩。收缩变形产生的裂缝很难在量上进行计算, 一般都是通过构造措施避免。
(1) 自生收缩是水泥水化时的化学收缩, 也可能表现为膨胀, 主要由水泥的化学成分确定, 过大的化学收缩和膨胀对混凝土的破坏都是灾难性的, 所以对水泥的成分及添加剂的成份要做到有所了解并做相应的实验。水泥的品种对收缩影响也大, 如矿渣水泥虽然水化热小, 但收缩比普通混凝土水泥大, 故在地下室, 蓄水池这类构件长而薄的建构物中应审用。混凝土中骨料粒径越粗, 收缩越小, 粒径越细, 砂率越高, 收缩越大, 砂岩做骨料也会大大加大混凝土的收缩, 因此混凝土的级配对其收缩的影响是很大的。大量的实验资料和实际工程证明, 高强混凝土的收缩量最大, 其次是轻骨料混凝土, 再其次是大掺量的高性能混凝土, 最小的是普通混凝土。因此我们在超长混凝土结构中应优选普通混凝土, 强度以不超过C40为宜。
(2) 沉缩是由于浇灌混凝土时, 骨料下沉, 砂浆上浮引起的, 由于纯水泥浆及砂浆收缩比混凝土大得多, 容易引起表面裂缝。水泥用量越大, 含水量越高, 水灰比越大, 体现为水泥浆量越高, 塌落度越大, 收缩也就越大。因此防水混凝土应采用较小的水灰比, 且应避免雨水中浇灌混凝土, 严禁现场随意加水。一些优质的减水剂和防水剂可以起到降低搅拌用水, 促使水泥的分散, 增强水泥、骨料、钢筋的粘附, 增强砼的紧密性, 减少水泥配置, 提高和易性, 延缓砼的凝结, 减小收缩和蠕变, 提高机械强度和防水性, 在超长混凝土中可以适当选用。
(3) 水分蒸发收缩是由于混凝土水分蒸发收缩引起的收缩, 这种收缩变形数量大, 持续时间长 (从浇灌后开始水分蒸发, 早期速度较快, 失水较多, 3个月约达到70%, 6～12月完成80%～90%, 一年后仍发展但已不明显。环境湿度越大, 收缩越小, 越干燥收缩越大。混凝土早期表面干燥或内外温差大、昼夜温差、日照下阴阳面的温差、拆模过早及气候突变等因素的影响裂缝的产生。采用低水灰比的混凝土及良好的养护对控制裂缝作用巨大。混凝土养护, 特别是早期养护质量与裂缝的关系密切。一般对超长混凝土在夏季施工时, 3小时后应用塑料布覆盖, 以防混凝土表面失水过快而开裂。对干燥地区的超长混凝土蓄水池底板采用蓄水养护, 池壁延长拆模时间, 混凝土浇注完毕12小时后, 洒水养护, 时间不少于14天, 可取得良好的效果。
3 温度变形
混凝土具有热胀冷缩的性质, 当环境温度发生变化时, 就会产生温度变形, 由于结构的特性, 变形都会收到约束, 由此产生附加应力, 当这种应力超过混凝土的抗拉强度时, 就会产生裂缝。在工程中, 这类裂缝较多见, 譬如现浇屋面板或蓄水池顶板上的裂缝, 大体积混凝土的裂缝等。对薄而长的结构来说, 对温度、湿度变化较敏感, 常因附加的温度收缩应力导致墙体开裂。温度混凝土墙裂缝的主要特征如下:
(a) 绝大多数裂缝为竖向裂缝, 多数缝长接近墙高, 两端逐渐变细而消失。
(b) 裂缝数量较多, 宽度一般不大, 超过0.3mm宽的裂缝很少见, 大多数缝宽度≤0.2mm.
(c) 沿墙长两端附近裂缝较少, 墙长中部附近较多。
(d) 裂缝出现时间多在拆模后不久, 有的还与气温骤降有关。
(e) 随着时间裂缝发展, 数量增多, 但缝宽加大不多, 发展情况与混凝土是否暴露在大气中和暴露时间的长短有关。
温度应力的计算有关手册和书籍上都有介绍, 本文不再引用, 但要注意用纯弹性理论计算的温度应力是瞬时的, 应注意修正调整。设计时地下室墙常按埋入土中或室内结构考虑, 即伸缩缝最大间距为30m., 按规定是不需要计算的, 实际施工中很难做到墙完成后立即回填土和完成顶盖, 如不在设计及施工中采取措施也很容易造成施工裂缝。设计中对以受温度应力为主的结构长方向采用细而密的钢筋, 可以有效分散应力的集中程度, 减少裂缝出现或裂缝的宽度。
4 徐变
结构构件在内应力的作用下, 除瞬时弹性变形外, 其变形值随时间的延长而增加的现象称为徐变变形。原因一般认为有两种:1) 混凝土内部的水泥凝胶体在外荷载作用下产生粘性流动, 把压力传递给集料, 使集料的变形逐渐增大, 而导致混凝土的变形。2.) 混凝土内部的微裂缝在荷载长期作用下逐渐放大, 形成宏裂缝。而导致混凝土变形。据文献记载受弯构件由于徐变变形的作用, 其长期变形值可增加2～3倍。徐变可使温度收缩应力松弛, 降低弹性温度应力, 但在大体积混凝土突然降温时引起内部拉力, 造成裂缝的出现, 预应力构件因徐变会产生较大的应力损失, 降低了结构的抗裂性能。避免徐变裂缝出现的措施与上面避免温度及收缩裂缝的措施相同。
5 防止和减轻超长混凝土结构温度收缩和徐变产生裂缝的设计建议
5.1 设置后浇带
后浇带是的一种目前设计人员常采用的方法, 它利用了混凝土早期收缩量大的特性, 其设计思路是“以放为主”。其原理主要是释放早期混凝土收缩应力, 减小以收缩为主的变形, 后浇带的常规做法为30m～40m设一道。理论上只要几个厘米的宽度就能满足要求, 但为了便于施工, 并避免应力集中, 一般宽度在70-100cm。一般后浇带处钢筋无需断开或加强钢筋, 不必担心附加应力引起主筋的拉断。有时为了便于清理凿毛或释放更多的应力也可断开钢筋。对防水要求严的建构筑物宜做企口式或设止水钢板。对于梁板式构件, 一般可设在梁跨三分之一处, 平面布置时要注意梁的布置宜平行于后浇带以免梁截断太多。视具体情况可沿平面曲折通过。后浇带两侧宜设钢筋网片, 防止主体混凝土流入后浇带。
浇筑时间:由于混凝土早期收缩量大, 相对一年的收缩量, 半月约占30～40%;1个月约占45～55%;2个月约占65～75%;半年约占80～90%, 故按现行规范执行, 一般应保证两个月后浇筑, 不宜短于45天。
对后浇混凝土, 流行做法是采用微膨胀混凝土, 强度较主体混凝土提高C5级。但在大量的工程实践证明, 采用掺膨胀剂的后浇带, 控制不好也会出现二次开裂现象, 不掺膨胀剂的后浇带采用普通混凝土填充, 效果也很好。
对超过规范规定长度较多, 采用后浇带措施施工的建构筑物应注意最终使用时对外露部分的保温措施。如加强屋面保温隔热措施, 采用高效保温材料。对水池外露墙及顶面也要采用保温措施。
大量大型的超长建构筑物, 采用后浇带及上述综合措施后, 实践证明是行之有效的。故认为, 防止和减轻超长混凝土结构温度收缩裂缝目前仍然应首先或主要采用设置后浇带以及控制和抵抗温度收缩应力的综合措施。考虑目前混凝土温度收缩裂缝的趋于增多以及超长混凝土结构的抗震性能。建议采用上述综合措施, 建构筑物总长宜控制在130m内。
工程实例:某海水淡化厂3万吨清水池加泵站, 平面129.5米×60.75米, 高7米, 半埋式, 采用三横一纵的后浇带, 如下图所示:现已建成, 未出现漏水现象。
5.2 采用UEA补偿收缩混凝土
由于后浇带延长工期, 钢筋断后的搭、焊接和清理凿毛均给填缝施工带来一定麻烦, 处理不好将留下隐患, 因此90年代开始, 国内开始采用UEA加强带取代后浇带连续浇筑超长建筑的无缝设计施工方法。
设计思路:“以抗为主”的设计原则, 利用UEA补偿收缩混凝土在硬化过程产生的膨胀作用, 在结构中产生少量预压应力用来补偿混凝土在硬化过程中产生的温度和收缩拉应力, 从而防止收缩裂缝或把裂缝控制在无害裂缝宽度范围内。
具体做法:所有楼板均掺10～12%UEA (膨胀率2～3×10-4) 。但每间隔40m左右设置一条2m宽膨胀加强带, 带内混凝土掺加14～15%UEA (膨胀率4～6×10-4) , 两侧设密孔钢丝网, 防止混凝土流入加强带, 可连续浇筑100～200m的超长建筑, 由于这种方法, 规范未列入, 施工要求严, 气候环境影响大, 潮湿地区膨胀可保持, 干躁地区会存在问题。应慎重采用, 若采用可做必要计算和实验, 测得一些技术数据, 最好在有条件保湿养护的地下结构中采用。也可考虑在建筑长度90m以下, 设置后浇带后影响工期的工程上试用, 另外要求施工时要严格保湿养护。
工程实例:某污水处理厂圆形水池, 直径50米, 周长157米, 因工期原因及担心后浇带处漏水, 采用了膨胀加强带做发, 如图二所示, 现已建成, 效果良好。如下图所示:
5.3 采用予应力混凝土结构
预应力混凝土利用预应力钢筋在梁板中所产生的预压应力抵消由于混凝土温度变化和收缩产生的轴向拉应力, 从而达到扩大温度伸缩缝间距不设后浇带的目的。在市政项目中常遇到大型的圆水池如钢筋混凝土消化池, 曝气池, 浓缩池, 常采用预应力混凝土结构, 取得很好的效果。这些近今年来一些矩形水池也采用预应力混凝土结构也取得了很好的抗裂和节约工程造价的效果, 且结构的整体性, 抗震性及耐久性都得到提高。
6 结语
近年来超长混凝土在理论和实践上都有很大突破, 设计者根据这些理论和经验, 结合具体情况采取有关措施, 实现超长混凝土不设永久性伸缩缝的设计是完全可能的。
参考文献
浅议超长混凝土结构加强带 篇6
关键词：超长混凝土结构,加强带,HEA,补偿收缩
0 引言
随着现代建筑向大型化和多功能发展,超长(即超过温度伸缩缝间距)高层建筑不断出现,砼强度等级的提高,施工中泵送砼工艺的应用,使超长混凝土结构易出现的温度收缩裂缝有增多的趋势。后浇带是列入《钢筋砼高层建筑结构设计与施工规程》中的目前设计人员常用的解决该裂缝的方法,它利用了砼早期收缩大的特性,其设计思路是“以放为主”,主要作用是释放早期砼收缩应力,减小以收缩为主的变形。
在后浇带施工工艺中,一般每30-40m设一道后浇带,并间隔60天再进行后浇带施工。这种常规后浇带施工工艺工序繁多,时间跨度长,难以保证砼整体质量(后浇带施工缝处常出现开裂、渗漏等质量问题)。
随着建筑材料技术的不断发展,砼超长结构的设计与施工可以利用HEA砼外加剂补偿收缩的原理,采用膨胀加强带代替后浇带,可大大提高施工速度及砼的抗裂性能,实现超长钢筋砼结构的无缝施工。
1 基本原理
“以抗为主”的设计原则,利用HEA补偿收缩砼在硬化过程中产生的膨胀作用,在结构中产生少量预压应力用来补偿砼在硬化过程中产生的温度和收缩拉应力,从而防止收缩裂缝产生或将裂缝控制在无害裂缝范围内。
HEA砼膨胀剂是一种新型砼外加剂,其主要成分是无机铝酸盐和硫酸盐,其加入水泥中,与水泥水化产生大量矿相。其反应式如下:
水化后生成膨胀结晶体-水化硫铝酸钙,这种产物能填充砼中的毛细孔、缝,使毛细孔变细、减少,增加砼的密实度,提高抗裂防渗性能;另外生成的大量矿相使砼在硬化过程中产生微膨胀,但由于受到钢筋等限制,致使在砼内部产生0.2-0.8MPa的预压应力,它能抵消或部分抵消由砼干缩、蠕变及温度等引起的拉应力,从而可抵销砼的全部或大部分收缩,避免或减轻砼开裂,提高砼的抗裂性。在砼超长结构中,根据砼水平法向力σx分布曲线,设想在应力量大地方施加较大的膨胀应力σc,而在两侧施加较小的膨胀应力,全面补偿结构的收缩应力,可控制有序裂缝的出现,从而取消后浇带。砼结构应力图如图1所示。
2 工程应用实例
2.1 工程概况
某工程为13层(含地下室1层)框架结构大楼,建筑高度为48.3米,建筑面积为24339m2。工程呈长方形,长85m,宽28m。考虑到后浇带施工缝处常出现开裂、渗漏等质量问题及工程为公共建筑,设计要求天面梁板结构采用加强带施工工艺,共设置两道加强带,宽度为1m。
2.2 施工工艺措施
2.2.1 砼原材料质量控制。
结构采用加强带施工工艺,砼试配尤其重要,要求砼试配和供应做到以下几点:
(1)天面梁板砼HEA型膨胀剂掺量为水泥用量的8%,加强带掺量为水泥用量的12%。
(2)砼缓凝时间要求8小时,坍落度10±2cm,要求加入的缓凝剂与HEA膨胀剂不得出现发泡或其它化学反应。
(3)要求膨胀剂供应方指导砼试配、搅拌站砼生产、现场施工的全过程。
(4)砼配制应用台秤准确计量,水泥误差不得大于1%,膨胀剂用量误差不得大于0.5%。
(5)在保证砼等级的前提下,掺加适量的粉煤灰,减少水泥用量,降低水灰比,减少水化热。选用级配良好的骨料,严格控制砂、石子的含泥量,降低水灰比。
(6)补偿收缩砼在运输过程中的坍落度损失较普通砼稍大,因此运输时间不宜过长,以防止砼坍落度损失过大。
(7)砼进场验收:严格按国家规范进行进场验收。每车目测检查并进行坍落度检验,如有偏差及时修正,不合格产品不得使用,确保砼性能。
(8)施工前做好砼进场计划,保证砼供应连续、及时。
2.2.2 砼施工工艺。
(1)施工缝留设与施工工艺流程。工程由于结构长度长,砼浇筑量较大,经我公司技术人员与设计人员商议,确定天面梁板设置两道施工缝。天面施工缝处加设膨胀止水条防水处理,既保证工程施工进度,同时保证施工质量。整个结构按施工缝划分为三个施工段,砼浇筑时按图2顺序浇筑。在各施工段内,砼一次浇筑完成,不再留施工缝。加强带砼在各施工段砼的最后浇筑。
(2)天面梁板加强带的处理。为更好实现加强带补偿砼收缩的作用,要求加强带砼在各施工段的最后浇筑。加强带用快易收口网分隔,确保其他砼不流入加强带。施工缝留设膨胀止水条,保证施工缝防水质量。加强带做法详见图3。
2.2.3 砼养护。
浇筑完的砼应用草袋或塑料薄膜覆盖,以避免阳光直射致使砼水份散失。砼终凝2小时即应进行洒水养护,最好储水保温保湿养护,养护时间不少于14天。
2.3 施工质量措施
2.3.1 砼按施工图做好供应计划,保证浇筑连续。
2.3.2 必须做好给排水、消防等各专业施工单位预留孔洞或套管以及预埋构件。
2.3.3 相邻浇注带砼施工时间间隔保持在砼初凝之前,避免出现施工冷缝。
2.3.4 注意控制砼振捣时间,不得过振、漏振、少振,以砼开始泛浆和不冒气泡为原则,杜绝出现蜂窝麻面。
2.3.5 砼振捣密实后,采用木方刮平表面。在砼硬化前1-2h内,安排泥水工进行砼磨面工作,防止砼表面龟裂。
2.3.6 砼浇筑过程中,应及时清理砼表面的泌水。
2.3.7 加强带在施工前清理干净砼流浆。
2.3.8 在工程实际应用中,必须选用合适的外加剂,做好砼试配,严格控制砼施工与养护的各个环节,方可保证施工质量,达到预期效果。
2.4 实施效果
该工程完成已经过了近三年的时间,天面结构未出现裂缝以及渗漏现象,施工效果良好。这表明加强带施工工艺是可行、有效的,是超长砼结构防裂的有效方法。
3 结语
随意国民经济形势的良好发展,应用超长砼结构的建筑物越来越多,超长砼结构加强带的施工技术亦必然被采用得越来越普遍。
超长砼结构加强带施工工艺是以补偿收缩砼为结构材料,以加强带取代后浇带实现砼连续浇筑的一种新工艺。该工艺有以下优点:
(1)整体性好,结构受力合理。
(2)取消后浇带,提高了结构的整体性能,特别是对于有防水要求的结构砼,提高了其整体防水性能。
(3)简化施工工序,缩短工期。后浇带一般需经40-60天才能回填,采用本技术减少了施工对后浇带处理这一繁琐的环节,大大地缩短了施工周期,加快了施工进度,降低工程成本。
(4)消除了后浇带可能处理不好而带来的隐患,解决了后浇带施工缝处常出现开裂、渗漏等质量问题。
参考文献
[1]王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.
[2]冯浩,朱清江.砼外加剂工程应用手册[M].北京:中国建筑工业出版社,1999.
超长混凝土框架 篇7
超长混凝土或较厚构件的混凝土在施工期受外界与自身温度变化的影响, 往往引起各种形式的裂缝, 破坏其整体性, 危及建筑物的安全。为此超长混凝土或较厚的构件防裂问题是较为重要的课题。目前, 混凝土结构的解析应力分析多采用有限元的的方法进行计算, 有各种程序可选用。温度控制措施是在混凝土达到规定质量要求的基础之上制定的。混凝土的质量控制及温控措施的落实是温控成功前提, 因此要特别重视质量。据统计, 为防止裂缝的温控费用约为工程造价的3%, 而处理裂缝的费用却到达5%-10%, 还可能推迟施工进度, 因此要特别注意温控措施的落实。温控设计的主要内容是计算混凝土结构各个部位的温度及应力;研究如何降低混凝土温度、降低到什么程度及如何进行表面保护, 使之减小、降低拉应力。特别是在严寒地区, 大量的工程实践表明, 在严寒地区对新浇筑的混凝土或以浇筑的混凝土表面采用合适的保温材料进行保温后, 混凝土结构体系内部产生裂缝的几率大为降低, 尤其可以大幅度减少深层贯穿性裂缝产生的几率, 提高混凝土结构的安全度。
2 混凝土温度场变化规律
混凝土温度检测数据是认识混凝土内部温度变化规律的有效手段。但是大量的监测数据只是展示了混凝土内部温度分布的直观现象, 要深刻的揭示混凝土内部温度的变化规律, 就必须对原始数据进行分析和研究, 找出原始数据所蕴含的混凝土温度变化信息, 从而确定混凝土温度的变化规律。在一般的分析方法中, 根据假定的边界条件通过热传递方程, 建立外界环境变量同通混凝土温度变量之间的变化关系式。通过关系式确定给定外界气温条件下混凝土温度, 再与实测值比较, 探求变化规律。
2.1 混凝土内部温度场数学模型研究
超长混凝土内部温度场, 主要来自混凝土的水化热升温, 混凝土在胶凝材料硬化过程中释放大量的热量使得混凝土内部温度升高, 又在环境因素的作用下逐渐下降, 在下降的过程当中, 由于混凝土的导温系数较小, 又受到边界条件的影响, 内部散热条件差, 温度较高自然散热过程甚为缓慢;外表散热方便、冷却速度, 从而导致超长混凝土中各点温度不同, 呈现整体降温及非线性温度场。随后, 混凝土温度即趋近于稳定状态, 在稳定期内, 内部温度基本稳定, 而表层温度则随外界温度的变化呈周期性波动。
在大多数超长混凝土结构当中分析混凝土内部温度场得变化多采用有限元的分析方法, 在给定的初始条件下, 结合混凝土的热参数等进行仿真计算, 模拟混凝土内部温度场的变化。由于给定的初始条件的不确定性, 以及工程措施的影响较多较复杂, 导致结果又偏差, 需进行修正。
2.2 温度场的变化机理
混凝土在浇筑过程中, 由于水化作用, 温度上升到最高温度Tm后, 由于自然冷却和人工冷却温度逐渐减低。初始影响完全消失以后, 混凝土温度与初始温度无关, 当混凝土超过一定尺寸以后, 其温度不会受外界周期性温度变化的影响, 这种温度成为稳定温度Tm+T0;在混凝土表面附近, 内部温度受外界气温和水温的影响而呈周期性变化, 这种温度称为准稳定温度。
在较多资料分析中, 对混凝土内部温度场分析多为准稳定温度场得分析方法, 即初始影响完全消失以后的混凝土内部温度变化。而初始影响的消失是一个较为漫长的过程, 在初始影响逐渐消失的过程中, 混凝土构筑物运行期某一瞬间的温度场可表示为:
可分解为两个温度应力场:Tm+T0 (1-e-εtη) 和undefined。
Tm+T0 (1-e-εtη) 为不稳定温度应力场, 初始温度的影响逐渐消失, 混凝土温度逐步向稳定温度场变化的过程;undefined是表面附近的准稳定温度场, 初始温度影响逐渐消失过程中, 受气温等外界环境因素的影响而变化的过程。而初始温度影响已经完全消失的稳定温度场完全取决于边界温度, 与初始温度无关。
通过以上对混凝土内部温度场变化过程的全分析, 鉴于混凝土温度有施工期到运行期内部温度的变化机理, 提出混凝土内部温度升至最高温度后降至稳定温度场的数学模型式为:
式中:
T—运行温度场温度;
Tm—混凝土最高温度;
T0—混凝土最高温度降至最低温度的降幅;
Ta—准温度温度场得温度变幅;
P—混凝土温度变化的年周期
ξ—温度变化的滞后因子, d;
t—降温后开始的龄期;
ε、η、σ、μ—拟合参数。
3 温度应力分析
3.1 混凝土温度的徐变应力
混凝土温度弹性应力在一定的边界应力条件下, 由于徐变作用, 将随时间的延续而衰减, 其衰减程度依建筑物的形式而定。
(1) 弹性徐变体应力应变四定理。
定理一:泊松比μ=c (常数) 的均质弹性徐变体处于四周自由边界中, 只有外力及体积力而无温度变化, 则弹性应力与徐变应力相同, 但二者应变不同。
定理二:泊松比μ=c的均质弹性徐变体处于四周给定边界 (如洞填混凝土) 中, 无任何外力及体积力, 只有温度变化, 则二者的位移相等而应力不同。
定理三:徐变泊松比为常量得均质弹性徐变体或满足比例变形undefined的均质弹性徐变体, 无温度变化, 部分边界给定外力。
定理四:若定理三的物体, 无体积力及部分边界外力, 只有温度变化 (如柱状块) , 则二者应变相同而应力不同。
(2) 徐变应力的计算方法。
线性叠加适用于大体积混凝土的水化热及Tp的计算。
式中Kp—松弛系数;
t—持荷龄期;
τ—加荷龄期;
ΔTi—i时段温度增量;
Δσi—i时段应力增量;
α—混凝土热膨胀系数。
计算水化热时采用中点龄期及弹性模量。
3.2 超长混凝土上部结构温度应力
柱状浇筑块高度脱离了基础约束的混凝土称为上部混凝土, 其温度应力不是由外部约束产生, 而是由它自身各部位温差形变产生。浇筑块中心与其表面温度之差称为内表差。
(1) 温度弹性应力计算。
, 改写为undefined
B—能使墙转动, 如墙内温度分布对称, 则B=0;
TY—板嵌固, 由于大平板内温度变化, 墙无自由变形和转动, 无外部约束;
2l—墙厚;
ΔY—21划分为n个等距的长度, 坐标原点为墙的中点;
y—水平轴;
Tm—2l的平均温度, 其可以影响墙的变形。
(2) 内外温差应力变化规律。
应力是混凝土逐日温度变化积累起来的, 按时段进行计算:
一般混凝土浇后升温时, 内部升温高, 外部升温低, 内部为压应力, 外部为拉应力。温度达到最高后逐渐降温, 外部降温少, 内部降温多, 逐渐变成内部为拉应力, 外部为压应力。表面由拉变压的时间随自由墙厚度而变, 墙厚10m以上约在60天龄期为转折点。如果无寒潮或较大的日气温变幅, 则混凝土后期一般不会产生拉应力而出现裂缝。但是根据实践, 内外温差过大而产生的裂缝主要出现在龄期的5—28天内, 在后期, 尤其是4月以后浇筑的混凝土在第一个冬季还常常发现裂缝。由于裂缝的原因可能是多方面的, 如混凝土的质量不均;温度分布形式;外界气温影响强内温度的滞后以及很多柱状块不是两侧暴露对称冷却而是一面或相邻两面降温, 因此后期还想进行温控。后期温度应力可按下式计算:
坐标在墙的一侧, 积分可以用辛普森式近似计算。通过某龄期温度不对称分布计算式所得的计算结果的最大值与其分布相同。
参考文献
[1]左名麒.胡人礼.毛洪渊.桩基础工程[M].北京﹕中国铁道出版社, 1996.
[2]彭立海.张春生.大体积混凝土温控与防裂[M].郑州﹕黄河水利出版社, 2005.
超长混凝土框架 篇8
近年来我国建筑业蓬勃发展, 建筑师对不设缝的混凝土结构的长度要求越来越高, 超长混凝土结构不设伸缩缝设计成为一个新的技术亮点。
混凝土结构温度应力是一个复杂的研究课题, 各国结构设计规范大多仅给出构造措施加以防范, 难以很好的揭示和解决越来越多的大型实际工程遇到的问题。我国《混凝土结构设计规范》GB50010-2002[1]规定了钢筋混凝土结构伸缩缝最大间距, 并指出“当增大伸缩缝间距时, 尚应考虑温度变化和混凝土收缩对结构的影响”, “必要时应对温差问题进行专门的结构分析”, 但都对如何分析没有给出进一步的说明。《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002[2]仅规定了高层混凝土结构伸缩缝的最大间距, 给出了适当放宽伸缩缝间距和减小结构温差收缩效应的构造措施。
随着计算分析手段以及材料科学的不断进步, 结构工程师有可能在一定限度内设计出远超过现行规范所规定的伸缩缝间距的超长混凝土结构[3、4]。本文采用MIDAS/GEN程序对一超长、大面积、多层地下室结构不设缝设计实例进行有限元分析, 根据计算结果, 充分利用塔楼与纯地下室的高差, 并在适当位置设置伸缩凹槽, 有效控制了结构的温度应力, 收到了很好的工程效果。
2 工程概况
本工程为住宅小区, 包括11栋32层的高层住宅、1栋1层会所和2层地下室, 总建筑面积约23万m2, 其中地上部分约为18万m2, 地下约为5万m2。
本文取两侧塔楼中间地下室的部分结构进行温度应力分析, 总长约220m, 宽84m, 塔楼部分为地下两层, 地下车库部分为一层。在顶板中, 利用塔楼部分与纯地下室部分之间的原有高差, 尽量释放顶板在高差处的伸缩变形;另外, 在顶板的适当位置再补充设置伸缩沟, 以达到与高差类似的效果, 释放顶板的温度变形, 降低其温度应力。采用有限元软件MIDAS/Gen对上述方案进行温度应力的简化模型分析与整体模型分析。
3 温度应力分析
3.1 温度荷载
温度应力计算采用的温度荷载, 一般应根据工程所在地的气象统计资料取用[5、6]。根据广东省气象局的记录, 广州地区1月最冷, 月平均温度9~16℃;7月最热, 月平均温度28~29℃, 取月平均温差为16℃。考虑徐变应力等因素, 取温度折减系数为0.3。输入系统降温4.8℃。
3.2 简化模型分析
为了明确各因素对温度应力的影响, 取整体模型中的一跨作为简化模型, 如图1所示。
伸缩沟的作用在于, 通过其竖板的塑性变形 (竖板顶部塑性铰的形成) , 来释放顶板的温度变形。分析中, 通过调整伸缩沟竖板的厚度来反映其塑性铰的发展程度。取5倍弹性转角作为塑性铰, 调整竖板厚度h, 分别计算竖板厚度h=0、50、100、150、200、250、300mm时的板温度应力, 计算结果如表1所示。
从表1中可以看出:随着竖板厚度的增加, 凹槽处的竖板B、B’和底板C的应力变化非常小;板A和A’当竖板厚度为100mm时应力最小, 之后应力逐渐增大;板D和D’的应力随着竖板厚度的增大而减小;板E和E’的应力随着竖板厚度的增大而增加。
当竖板厚h≤200mm时, 顶板所承受的温度应力最大值<2.5Mpa。混凝土的抗拉强度设计值 (C35) 为1.57MPa, 根据工程经验, 添加聚丙烯纤维后的混凝土, 其抗拉强度可提高约1.0MPa。因此当竖板的厚度为200mm时, 顶板温度应力即可满足抗裂要求。
3.3 整体模型分析
为考虑温度应力对整体结构的影响, 建整体计算模型如图2所示。
对整体模型进行设置伸缩凹槽和不设伸缩凹槽的对比计算分析, 分析发现:当整体计算模型不设置伸缩凹槽时, 顶板温度应力均大于2.5MPa, 其中竖板边的应力最大, 为σmax=5.16Mpa。板温度应力分布如图3所示。
设置伸缩凹槽后, 整体模型计算的应力等值线图如图4所示。结果显示:设置伸缩凹槽后, 顶板的温度应力均降至2.5MPa以下, 但是与侧墙相接处的凹槽端部温度应力最大, 最大值σmax=9.79Mpa。究其原因, 由于侧墙抗侧刚度较大, 对位移有较大的约束作用, 致使凹槽处与侧墙连接处温度应力无法释放, 从而产生了应力集中。
为了降低侧墙对温度应力的影响, 将凹槽处的墙沿着凹槽分缝, 如图5所示。对侧墙沿凹槽进行分缝以后, 板的温度应力分布如图6所示。
由图6可见, 侧墙分缝以后, 凹槽处的温度应力显著降低, 有高差的竖板处应力为1.43Mpa, 顶板的应力分布比较均匀, 为1.78Mpa左右。
变化凹槽处竖板的厚度, 计算板的温度应力, 结果如表2所示。
对比表2和表1的结果发现, 无论是简化模型还是整体模型, 当竖板厚度不大于200mm时, 顶板的温度应力均小于2.5MPa, 满足抗裂要求。
4 结论
本文通过对220m超长混凝土结构的温度应力有限元分析, 对伸缩凹槽凹槽的设置进行探讨, 得到以下结论:
⑴温差计算应参照工程当地的气象统计资料, 按照温降工况进行分析计算。
⑵应有效利用塔楼与地下室顶板的高差来释放温度应力。
⑶伸缩凹槽的竖板厚度h取200mm时, 可以有效的控制温度应力, 达到控制裂缝的要求。
⑷与凹槽相连的侧墙约束刚度较大, 应做相应的分缝处理, 才能有效的消除凹槽处的温度应力集中, 达到整体裂缝控制的效果。
⑸工程中除设置伸缩凹槽以外, 尚应通过在混凝土中添加膨胀剂、纤维掺合料以及对施工工艺的各种要求来降低混凝土的水化热等配合措施, 达到更好的控制温度应力的效果。
参考文献
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