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混凝土结构的裂缝控制一直是建筑工程中普遍关注的问题,特别是最近30年来,结构形式日趋复杂,结构规模日趋宏大,超长超大现浇施工的钢筋混凝土结构大量出现,再加上泵送商品混凝土施工工艺广泛采用,使得温度收缩作用引起的变形裂缝问题日益突出。一些大型场馆、立体车库、航空站楼及多层厂房等工业与民用建筑,由于使用功能、施工过程及结构整体性等方面的要求,结构平面尺寸往往超过规范限定值而不设伸缩缝,这类结构称为大面积混凝土结构。如何采取设计和施工技术规范控制该类结构的裂缝在规范允许范围内,保证其正常工作是当前工程领域内迫切需要解决的、高难度的研究课题,本文以实际工程为背景,开展了大面积混凝土结构温度收缩应力与裂缝控制的研究,并对结构进行了动力分析,主要工作及成果如下:
1、对大平台工程进行了一年的观察测试,通过实验室对工程使用的混凝土基本材料性能随龄期变化的标准实验和对大平台预埋元件的监测记录分析对比,得出了测试数据拟合的混凝土强度、弹性模量、收缩徐变等材料参数随龄期变化的曲线,并通过数据拟合给出计算公式。
2、分析了温度收缩应力的影响因素。目前使用的泵送商品混凝土中,最主要的影响因素是混凝土的收缩,找到混凝土的收缩规律,提出控制收缩的有效方法是施工期间留设后浇带,按照收缩应力小于允许应力的条件,确定后浇带的留置数量和留设间距,讨论了后浇带处连续钢筋对约束拉力的影响,提出后浇带封闭的最适宜时间是混凝土浇注40天,这样,混凝土在封闭前大约完成50%的收缩,可以有效地减小温度收缩应力。
3、研究竖向构件的约束对温度应力的影响,提出合理的方案是释放约束,将梁柱的固定连接改为铰连接,由温差产生的应力可以降低60%。竖向构件柱子的侧向刚度变化对温度应力也会产生影响,柱子截面尺寸增大2.5倍,温度应力增大4-5倍,侧向位移减小2.3倍,通过增大柱子截面来减小结构侧移的方法是不可取的。
4、分析裂缝开展的机理及裂缝宽度的计算理论,轴心受拉构件和受弯构件开裂前后刚度的变化,在不同的约束条件下,随着荷载的变化,从第一条裂缝的产生到形成稳定裂缝的发展过程以及混凝土强度的变化关系式。
5、研究作用于大面积混凝土结构的荷载,温度收缩荷载是主要荷载,由于混凝土自身特性,从材料的线性和非线性对比分析结构的内力及变形,结构在正常使用状态下,大部分构件都已开裂而进入非线性状态,钢筋并未屈服仍在弹性状态下工作,用弹塑性分析结构的内力和变形才能反映结构的实际工作状态,现场测试数据与非线性有限元计算结果吻合较好,说明选取模型合理,计算可靠。
6、对大面积混凝土结构进行抗震性能分析,通过模态分析的Block Lanczos法确定结构前20阶模态的频率、振型及参与质量,选取最具代表性的三条地震波进行时程分析,在EL Centro作用下,结构地震反应最大,大面积混凝土结构进行抗震分析是必要的。