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（浙江省建工集团有限责任公司 浙江 杭州 310012）
【摘 要】笔者对混凝土结构温度及收缩缝的主要因素进行了深入分析 ,指出了合理使用这些(如选择合适的浇筑季节、降低结构约束、加强构造配筋、采用膨胀混凝土、设置后浇带、伸缩缝等)措施定能有效解决结构的温度及收缩裂缝控制问题,但若不考虑具体条件盲目使用这些措施,则花了代价却不一定获得预期的效果。
【关键词】混凝土结构约；裂缝；措施
Study on temperature of concrete structure and constringency crack
Zhang Hai-bo,Bao Xiao-jun
(Zhejiang province construction work group limited company Hangzhou Zhejiang 310012)
【Abstract】The writer sews to temperature of concrete structure and the constringency of the main factor carried on thorough analysis and pointed out a reasonable usage (if sprinkling of choice accommodation builds season, lowers structure stipulation, strengthens structure to sprinkle to take after going together with the Jin, the adoption the inflation the concrete, the constitution, flexible sew etc. ) measures can certainly effectively work out structural temperature and the control problem of the constringency crack, but if take no account of concrete condition blindly uses these measures and then spends price acquires anticipant effect not necessarily.
【Key words】Concrete structure;Crack;Measure
1. 前言
近年来,随着超长超宽混凝土结构的大量涌现,以及泵送混凝土技术的迅速普及,混凝土结构的温度及收缩裂缝控制问题受到各国学者的广泛关注,各种有关的裂缝控制措施得到了不断的研究和发展。无疑,合理使用这些措施定能有效解决结构的温度及收缩裂缝控制问题。
2. 浇筑季节
如果不考虑混凝土的徐变影响而按弹性考虑的话,季节温差在结构中产生的应力应该是以1 年为周期的周期函数,函数的波峰(最大拉应力)与波谷(最大压应力)取决于自变量初值(即浇筑时间) 。在最冷月浇筑时,混凝土中只会产生压应力,并且在夏季时出现绝对最大压应力;而在最热月浇筑时,混凝土中只会产生拉应力,并且在冬季时出现绝对最大拉应力。
但是,徐变对季节温差应力的影响却是不容忽视的,因为早期混凝土的徐变与加载龄期有密切关系,徐变会随加载龄期的增长而单调衰减。因此,先作用在结构上的温度作用会比后作用在结构上的温度作用产生更大的松弛,也因此,在混凝土加载的早期,温度变化1 个周期后,结构中会存在较大的应力,而不是上述弹性分析得出的零应力。考虑徐变影响后,冬天浇筑混凝土,虽然混凝土在以后的温度不会低于浇筑时的温度,但是由于浇筑之后的前半年升温加压时的应力松弛比后半年降温消压时的应力松弛要大,所以在 1个周期即1 年时构件中有较大的拉应力存在;该拉应力还会在以后的周期中逐渐增大,一般在浇筑5 年以后趋于稳定。同时 夏天浇筑混凝土 个周期时构件中有较大压应力存在 且在浇筑后 年内逐渐增大。这说明在冬天浇筑混凝土只能减小结构中的温度拉应力 并不能从根本上消除温度拉应力的存在。而且 由于徐变随加载龄期不同而发生的变化 使产生最大季节温差拉应力的浇筑时间不在每年中的温度最高点,产生最小季节温差拉应力的浇筑时间也不在每年中的温度最低点,而是各自向后推迟了1个月。因此,为了降低季节温差在结构中产生的拉应力,可尽量选择2月或接近2月的时间浇筑混凝土,尽量避开8月或接近8月的时间。
3. 结构约束
混凝土结构在温度与收缩变形时遇到的约束有两类,一类是配筋构件中钢筋对混凝土产生的所谓自约束,另一类是由于结构的超静定而引起的外约束。
钢筋对混凝土的自约束主要是对混凝土收缩变形的约束,而温度变形并不受到约束,因为混凝土与钢筋有着基本相同的温度线胀系数。如果配筋不合理,则可能产生很大的自约束应力而引起严重开裂。
钢筋对混凝土的自约束主要是对混凝土收缩变形的约束,而温度变形并不受到约束,因为混凝土与钢筋有着基本相同的温度线胀系数。如果配筋不合理,则可能产生很大的自约束应力而引起严重开裂。
由于结构的超静定而引起的外约束,可以分2种情况
(1)连续约束,如连续基础结构、墙体结构以及梁板结构,可通过设置滑动连接或减小梁与板的截面面积比来降低这种约束;
(2)非连续约束,如框架结构,笔者在文献2中对几个基本框架模型的约束系数和约束应力进行了研究,从中可以看出,要降低框架横梁的约束应力,可通过降低梁、柱混凝土弹性模量、加大梁截面尺寸、跨度以及配筋率、减小柱截面尺寸、加大柱高度等措施来实现。
较为现实的建议是:增加梁截面配筋、加大底层柱层高、采用分体柱等。
4. 抗裂钢筋
实践证明,通过增加直径较小、间距较密且均匀的抗裂钢筋来控制混凝土结构的温度及收缩裂缝是一条行之有效的途径。
但在具体实践中,由于不同的结构受温度及收缩作用的影响各不相同,采取的综合措施也不相同,因而仍有一些问题尚未得到很好的解决,比如什么条件下需要增加这种抗裂钢筋以及增加量的多少,都缺乏定量的计算依据,因而具体的操作只能依赖于工程师个人的经验,从而带有较大的随意性。笔者在文献5 中对钢筋混凝土框架梁板结构的上述问题进行了研究,给出了其各部位是否需要增加温度及收缩钢筋的判断依据,以及需要增加时各自的增加量的计算公式(其中考虑温度及收缩自由应变、结构约束、受力纵筋配筋率、荷载标准组合下的钢筋应力等主要因素的影响)及配筋建议,可对该问题的解决提供一些参考。
5. 膨胀混凝土
使用膨胀混凝土的关键是14d 的蓄水养护以及其后的保湿、保温、防风养护乃至使用过程中的潮湿、小风环境。试验表明,掺 UEA 的混凝土在水中养护14d时,混凝土的膨胀率达到最大,再在空气中放置28d以后,混凝土膨胀量有所下降,但将其再放入潮湿环境中膨胀量又有上升。因此,掺膨胀剂可以使混凝土在水中或高湿度环境下产生较大的膨胀(事实上,不掺膨胀剂的普通混凝土在水中也会产生微膨胀) ,但它并不能阻止普通环境下干缩的发生,只是对干缩有一定的补偿。以UEA为例,一般要求UEA混凝土在水中养护14d,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后1 年这段时间中,混凝土发生了约0.05%的收缩。这是无约束状态下的膨胀与收缩。在有约束的情况下(包括自约束和外约束) ,早期膨胀会产生预压应力,但此时的徐变也大,因此膨胀效果会大量丧失;剩余的膨胀会很快被收缩吃掉,而收缩又是长期的,徐变作用也会逐渐衰减。
鉴于UEA等膨胀混凝土对养护和使用环境温湿度的特殊要求,建议在蓄水养护方便、使用环境保湿、保温效果较好、风速影响较小的地下室、水池、隧道等防水结构中大胆使用是比较可靠的,而在不具备上述条件的一般地上结构(如梁板、墙体等结构) 中保守使用为好,比如仅仅利用它解决结构早期开裂问题。
6. 后浇带
后浇带的工作原理是“先放后抗”,但关键是“放”,因为“放”得多了“抗”的负担就轻, ,开裂机会就少。因此,在冬季最冷月之前2个月(假定后浇带的保留时间为2 个月)或2 个月之前这段气温逐渐下降过程中浇筑的大体积混凝土中使用后浇带,会使其发挥最大的放的效用,既可以“放”掉全部由水化热产生的负温差变形,又可以“放”掉30%左右的混凝土收缩变形,还可以“放”掉将近2 个月的季节负温差变形(也差不多是30%左右的最大季节负温差变形) 。对一般薄壁或小断面结构,水化热温差影响不大,后浇带主要释放部分收缩变形,如果填缝前处于气温下降阶段,也可释放掉部分季节负温差变形。这样的后浇带效果也是比较显著的;但是,如果填缝前处于气温上升阶段,则后浇带会释放掉部分季节正温差变形(即热胀变形) ,这很有可能抵消全部释放掉的收缩变形,这样的后浇带意义不大,可以不设。另外,在设后浇带的混凝土中掺加膨胀剂作用不大,因为混凝土的大部分膨胀在填缝前已被后浇带“吃”掉,仅剩下少量的膨胀在钢筋的约束下建立了预压应力。
7. 伸缩缝
温度及收缩在混凝土结构中引起的开裂是源于混凝土中过大的约束拉应变,而约束拉应变又取决于自由拉应变及约束程度;开裂后裂缝的开展宽度则主要取决于钢筋的应力和有效配筋率。伸缩缝的作用就在于降低结构的约束程度,从而减小混凝土中的约束拉应变,由此可能避免开裂;或即使无法避免开裂,但可降低钢筋应力,从而减小裂缝开展宽度。从伸缩缝的这种作用可以看出,按一定间距设置伸缩缝并不是控制混凝土结构温度及收缩裂缝的惟一措施,也不是必要措施,更不能保证是充分措施。笔者在文献6 中对钢筋混凝土框架结构的伸缩缝间距问题进行了研究,给出了与温度及收缩自由应变、结构约束、截面配筋率、荷载标准组合下的钢筋应力等主要因素有关的钢筋混凝土框架结构伸缩缝间距计算公式,可对该问题的解决提供一些参考。
8. 结语
混凝土结构的温度及收缩裂缝控制措施很多,但这些措施只有在合理使用的前提下才能达到事半功倍的效果。本文对有关问题作了较为深入的探讨,希望能给同行提供一些参考。
参考文献
［1］ 王铁梦. 钢筋混凝土结构的裂缝控制J . 混凝土, 2000 ,(5) :3 - 6.
［2］ 李富民. 混凝土框架梁板结构温度及收缩裂缝控制的研究D. 南京: 东南大学, 2003.
【摘 要】笔者对混凝土结构温度及收缩缝的主要因素进行了深入分析 ,指出了合理使用这些(如选择合适的浇筑季节、降低结构约束、加强构造配筋、采用膨胀混凝土、设置后浇带、伸缩缝等)措施定能有效解决结构的温度及收缩裂缝控制问题,但若不考虑具体条件盲目使用这些措施,则花了代价却不一定获得预期的效果。
【关键词】混凝土结构约；裂缝；措施
Study on temperature of concrete structure and constringency crack
Zhang Hai-bo,Bao Xiao-jun
(Zhejiang province construction work group limited company Hangzhou Zhejiang 310012)
【Abstract】The writer sews to temperature of concrete structure and the constringency of the main factor carried on thorough analysis and pointed out a reasonable usage (if sprinkling of choice accommodation builds season, lowers structure stipulation, strengthens structure to sprinkle to take after going together with the Jin, the adoption the inflation the concrete, the constitution, flexible sew etc. ) measures can certainly effectively work out structural temperature and the control problem of the constringency crack, but if take no account of concrete condition blindly uses these measures and then spends price acquires anticipant effect not necessarily.
【Key words】Concrete structure;Crack;Measure
1. 前言
近年来,随着超长超宽混凝土结构的大量涌现,以及泵送混凝土技术的迅速普及,混凝土结构的温度及收缩裂缝控制问题受到各国学者的广泛关注,各种有关的裂缝控制措施得到了不断的研究和发展。无疑,合理使用这些措施定能有效解决结构的温度及收缩裂缝控制问题。
2. 浇筑季节
如果不考虑混凝土的徐变影响而按弹性考虑的话,季节温差在结构中产生的应力应该是以1 年为周期的周期函数,函数的波峰(最大拉应力)与波谷(最大压应力)取决于自变量初值(即浇筑时间) 。在最冷月浇筑时,混凝土中只会产生压应力,并且在夏季时出现绝对最大压应力;而在最热月浇筑时,混凝土中只会产生拉应力,并且在冬季时出现绝对最大拉应力。
但是,徐变对季节温差应力的影响却是不容忽视的,因为早期混凝土的徐变与加载龄期有密切关系,徐变会随加载龄期的增长而单调衰减。因此,先作用在结构上的温度作用会比后作用在结构上的温度作用产生更大的松弛,也因此,在混凝土加载的早期,温度变化1 个周期后,结构中会存在较大的应力,而不是上述弹性分析得出的零应力。考虑徐变影响后,冬天浇筑混凝土,虽然混凝土在以后的温度不会低于浇筑时的温度,但是由于浇筑之后的前半年升温加压时的应力松弛比后半年降温消压时的应力松弛要大,所以在 1个周期即1 年时构件中有较大的拉应力存在;该拉应力还会在以后的周期中逐渐增大,一般在浇筑5 年以后趋于稳定。同时 夏天浇筑混凝土 个周期时构件中有较大压应力存在 且在浇筑后 年内逐渐增大。这说明在冬天浇筑混凝土只能减小结构中的温度拉应力 并不能从根本上消除温度拉应力的存在。而且 由于徐变随加载龄期不同而发生的变化 使产生最大季节温差拉应力的浇筑时间不在每年中的温度最高点,产生最小季节温差拉应力的浇筑时间也不在每年中的温度最低点,而是各自向后推迟了1个月。因此,为了降低季节温差在结构中产生的拉应力,可尽量选择2月或接近2月的时间浇筑混凝土,尽量避开8月或接近8月的时间。
3. 结构约束
混凝土结构在温度与收缩变形时遇到的约束有两类,一类是配筋构件中钢筋对混凝土产生的所谓自约束,另一类是由于结构的超静定而引起的外约束。
钢筋对混凝土的自约束主要是对混凝土收缩变形的约束,而温度变形并不受到约束,因为混凝土与钢筋有着基本相同的温度线胀系数。如果配筋不合理,则可能产生很大的自约束应力而引起严重开裂。
钢筋对混凝土的自约束主要是对混凝土收缩变形的约束,而温度变形并不受到约束,因为混凝土与钢筋有着基本相同的温度线胀系数。如果配筋不合理,则可能产生很大的自约束应力而引起严重开裂。
由于结构的超静定而引起的外约束,可以分2种情况
(1)连续约束,如连续基础结构、墙体结构以及梁板结构,可通过设置滑动连接或减小梁与板的截面面积比来降低这种约束;
(2)非连续约束,如框架结构,笔者在文献2中对几个基本框架模型的约束系数和约束应力进行了研究,从中可以看出,要降低框架横梁的约束应力,可通过降低梁、柱混凝土弹性模量、加大梁截面尺寸、跨度以及配筋率、减小柱截面尺寸、加大柱高度等措施来实现。
较为现实的建议是:增加梁截面配筋、加大底层柱层高、采用分体柱等。
4. 抗裂钢筋
实践证明,通过增加直径较小、间距较密且均匀的抗裂钢筋来控制混凝土结构的温度及收缩裂缝是一条行之有效的途径。
但在具体实践中,由于不同的结构受温度及收缩作用的影响各不相同,采取的综合措施也不相同,因而仍有一些问题尚未得到很好的解决,比如什么条件下需要增加这种抗裂钢筋以及增加量的多少,都缺乏定量的计算依据,因而具体的操作只能依赖于工程师个人的经验,从而带有较大的随意性。笔者在文献5 中对钢筋混凝土框架梁板结构的上述问题进行了研究,给出了其各部位是否需要增加温度及收缩钢筋的判断依据,以及需要增加时各自的增加量的计算公式(其中考虑温度及收缩自由应变、结构约束、受力纵筋配筋率、荷载标准组合下的钢筋应力等主要因素的影响)及配筋建议,可对该问题的解决提供一些参考。
5. 膨胀混凝土
使用膨胀混凝土的关键是14d 的蓄水养护以及其后的保湿、保温、防风养护乃至使用过程中的潮湿、小风环境。试验表明,掺 UEA 的混凝土在水中养护14d时,混凝土的膨胀率达到最大,再在空气中放置28d以后,混凝土膨胀量有所下降,但将其再放入潮湿环境中膨胀量又有上升。因此,掺膨胀剂可以使混凝土在水中或高湿度环境下产生较大的膨胀(事实上,不掺膨胀剂的普通混凝土在水中也会产生微膨胀) ,但它并不能阻止普通环境下干缩的发生,只是对干缩有一定的补偿。以UEA为例,一般要求UEA混凝土在水中养护14d,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后1 年这段时间中,混凝土发生了约0.05%的收缩。这是无约束状态下的膨胀与收缩。在有约束的情况下(包括自约束和外约束) ,早期膨胀会产生预压应力,但此时的徐变也大,因此膨胀效果会大量丧失;剩余的膨胀会很快被收缩吃掉,而收缩又是长期的,徐变作用也会逐渐衰减。
鉴于UEA等膨胀混凝土对养护和使用环境温湿度的特殊要求,建议在蓄水养护方便、使用环境保湿、保温效果较好、风速影响较小的地下室、水池、隧道等防水结构中大胆使用是比较可靠的,而在不具备上述条件的一般地上结构(如梁板、墙体等结构) 中保守使用为好,比如仅仅利用它解决结构早期开裂问题。
6. 后浇带
后浇带的工作原理是“先放后抗”,但关键是“放”,因为“放”得多了“抗”的负担就轻, ,开裂机会就少。因此,在冬季最冷月之前2个月(假定后浇带的保留时间为2 个月)或2 个月之前这段气温逐渐下降过程中浇筑的大体积混凝土中使用后浇带,会使其发挥最大的放的效用,既可以“放”掉全部由水化热产生的负温差变形,又可以“放”掉30%左右的混凝土收缩变形,还可以“放”掉将近2 个月的季节负温差变形(也差不多是30%左右的最大季节负温差变形) 。对一般薄壁或小断面结构,水化热温差影响不大,后浇带主要释放部分收缩变形,如果填缝前处于气温下降阶段,也可释放掉部分季节负温差变形。这样的后浇带效果也是比较显著的;但是,如果填缝前处于气温上升阶段,则后浇带会释放掉部分季节正温差变形(即热胀变形) ,这很有可能抵消全部释放掉的收缩变形,这样的后浇带意义不大,可以不设。另外,在设后浇带的混凝土中掺加膨胀剂作用不大,因为混凝土的大部分膨胀在填缝前已被后浇带“吃”掉,仅剩下少量的膨胀在钢筋的约束下建立了预压应力。
7. 伸缩缝
温度及收缩在混凝土结构中引起的开裂是源于混凝土中过大的约束拉应变,而约束拉应变又取决于自由拉应变及约束程度;开裂后裂缝的开展宽度则主要取决于钢筋的应力和有效配筋率。伸缩缝的作用就在于降低结构的约束程度,从而减小混凝土中的约束拉应变,由此可能避免开裂;或即使无法避免开裂,但可降低钢筋应力,从而减小裂缝开展宽度。从伸缩缝的这种作用可以看出,按一定间距设置伸缩缝并不是控制混凝土结构温度及收缩裂缝的惟一措施,也不是必要措施,更不能保证是充分措施。笔者在文献6 中对钢筋混凝土框架结构的伸缩缝间距问题进行了研究,给出了与温度及收缩自由应变、结构约束、截面配筋率、荷载标准组合下的钢筋应力等主要因素有关的钢筋混凝土框架结构伸缩缝间距计算公式,可对该问题的解决提供一些参考。
8. 结语
混凝土结构的温度及收缩裂缝控制措施很多,但这些措施只有在合理使用的前提下才能达到事半功倍的效果。本文对有关问题作了较为深入的探讨,希望能给同行提供一些参考。
参考文献
［1］ 王铁梦. 钢筋混凝土结构的裂缝控制J . 混凝土, 2000 ,(5) :3 - 6.
［2］ 李富民. 混凝土框架梁板结构温度及收缩裂缝控制的研究D. 南京: 东南大学, 2003.