（岩土工程专业论文）地基土约束下大体积混凝土底板的温度裂缝研究.pdf

j r e s e a r c ho f t e m p e r a t u r ec r a c k i nm a s sc o n c r e t e b a s e p l a t er e s t r i c t e db yf o u n d a t i o n s o i l ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e df o rt h ed e g r e eo fm a s t e r c a n d i d a t e ：g u oh u a z h e n g s u p e r v i s o r ：p r o f l ip a n w u c h a n g a nu n i v e r s i t y , x i a n ，c h i n a 论文独创性声明 本人声明：本人所呈交的学位论文是在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除论文中已经注明引用的内容外，对论文的研究做出重 要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本论文中不包含任何 未加明确注明的其他个人或集体己经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：哼p 爷筝 矽归年 月够日 论文知识产权权属声明 本人在导师指导下所完成的论文及相关的职务作品，知识产权归属学 校。学校享有以任何方式发表、复制、公开阅览、借阅以及申请专利等权 利。本人离校后发表或使用学位论文或与该论文直接相关的学术论文或成 果时，署名单位仍然为长安大学。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名： 导师签名： 毫降萼 糊 列矿年岁月毋日 7 x , t o 年厂月刁日 摘要 随着高层建筑、大跨结构、特种结构及大型设备基础的大量出现，大体积混凝土被 越来越多的应用到建筑、桥梁、道路、水利等领域中，而大体积混凝土底板也在地下建 筑结构中较为常见。大体积混凝土底板一方面由于内外温差而产生应力；另一方面，由 于混凝土的收缩变形受到底板下地基土的约束，混凝土底板内会产生拉应力，当混凝土 内部的降温差引起的拉应力超过同龄期混凝土的极限抗拉强度时，底板内就会产生裂 缝，从而影响结构的整体性、防水性和耐久性，给建筑安全带来隐患。 本文在查阅大量参考文献的基础上，简单地阐述了大体积混凝土底板温度裂缝的分 类、产生原因以及控制措施；根据热传导方程的基本原理，并考虑各种边界条件，建立 了大体积混凝土结构的温度场；介绍了温度应力的基本概念，并经过理论推导，得到大 体积混凝土底板温度应力的基本公式和裂缝开展规律；为进一步探求地基土约束下大体 积混凝土底板温度应力的特点，本文利用大型有限元软件a n s y s ，模拟了大体积混凝土 底板温度应力的变化规律，并探讨了地基土约束下，不同地基水平阻力系数和底板尺寸 对底板温度应力的影响，总结了混凝土底板应力、应变、位移随地基水平阻力系数和底 板尺寸的变化规律。另外，本文在数值计算的基础上，提出了大体积混凝土底板施工中 滑动层长度的设置问题。分析表明，地基土约束下大体积混凝土底板的应力，随着地基 水平阻力系数和混凝土底板尺寸的增大而增大。 本文对于地基土约束下大体积混凝土底板温度应力的数值模拟分析结果可为今后 大体积混凝土底板工程的设计与施工提供参考。 关键词：大体积混凝土、底板、地基土约束、温度场、温度应力、温度裂缝、地基 水平阻力系数、底板尺寸 a b s t r a c t w i t ht h ea p p e a r a n c eo fh i 曲一r i s eb u i l d i n g s ，l a r g es p a ns t r u c t u r e s ，s p e c i a ls t r u c t u r e sa n d l a r g ee q u i p m e n t - b a s e d ，m a s sc o n c r e t eh a sb e e na p p l i e dt om o r ea n dm o r eb u i l d i n g s ，b r i d g e s ， r o a d s ，w a t e rc o n s e r v a n c ya n do t h e rf i e l d s ，a n da l s oo fm a s sc o n c r e t eb a s e p l a t ei sm o r e c o m m o ni nt h eu n d e r g r o u n ds t r u c t u r e s o no n eh a n d ，t h es t r e s si nm a s sc o n c r e t eb a s e p l a t ei s c a u s e db e c a u s eo ft h et e m p e r a t u r ed i f f e r e n c eo fc e n t e ra n ds u r f a c e o nt h eo t h e rh a n d ，w i t h t h ec o n c r e t eh a r d e n i n g ，t h et h e r m a ls t r e s sw i l la p p e a rd u et oc o n c r e t e ss h r i n k a g er e s t r i c t e db y f o u d a t i o ns o i l o n c et h es t r e s sg e n e r a t e df r o mb o t ha b o v ee x c e e d st h eu l t i m a t et e n s i l e s t r e n g t ho fc o n c r e t ea tt h es a m ea g e ，t e m p e r a t u r ec r a c ko fc o n c r e t ei ss u r et oa p p e a r i ti s o b v i o u sf o rc r a c kt od e s t r o yt h ec o m p l e t e n e s s ，a n t i - w a t e ra n dw a t e r - t o l e r a n tb e h a v i o ro ft h e s t r u c t u r e s ，a n dc a u s es a f e t yc r i s i so fs t r u c t u r e s o nt h eb a s i so fc o n s u l t i n ga l a r g en u m b e ro fr e f e r e n c e s ，t h i sp a p e rs i m p l ye x p o u n d e dt h e t e m p e r a t u r ec r a c k sc l a s s i f i c a t i o n ，c a u s e sa n dc o n t r o lm e a s u r e so ft h em a s sc o n c r e t eb a s e p l a t e ； a c c o r d i n gt ot h eb a s i cp r i n c i p l e so fh e a tc o n d u c t i o ne q u a t i o na n dv a r i o u sb o u n d a r yc o n d i t i o n s ， am a s sc o n c r e t eb a s e p l a t e st e m p e r a t u r ef i e l di se s t a b l i s h e d ；i n t r o d u c i n gt h eb a s i cc o n c e p t so f t h e r m a ls t r e s s ，t h r o u g ht h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h i sp a p e ro b t a i n e dt h e r m a ls t r e s s sb a s i cf o r m u l a s a n dc r a c kr u l e so ft h em a s sc o n c r e t eb a s e p l a t e ；t of u r t h e re x p l o r et h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a s s c o n c r e t eb a s e p l a t e st h e r m a ls t r e s s ，u s i n gl a r g ef i n i t ee l e m e n tp r o g r a ma n s y s ，t h i sp a p e r s i m u l a t e di t sv a r i a t i o na n di n v e s t i g a t e dt h ei n f l u e n c eo fd i f f e r e n tf o u n d a t i o nh o r i z o n t a ld r a g c o e f f i c i e n ta n db a s e p l a t e ss i z et ot h eb a s e p l a t et h e r m a ls t r e s sr e s t r i c t e db yf o u n d a t i o ns o i l ， s u m m e du pt h es t r e s s ，s t r a i n , d i s p l a c e m e n t sv a r i a t i o n i na d d i t i o n , b a s e do nt h en u m e r i c a l c a l c u l a t i o n , t h i sp a p e rp r o p o s e dt os e tt h el e n g t ho ft h es l i d i n gl a y e ri nm a s sc o n c r e t e b a s e p l a t ec o n s t r u c t i o n a n a l y s i ss h o w e dt h a tt h et h e r m a ls t r e s so ft h em a s sc o n c r e t eb a s e p l a t e r e s t r i c t e db yf o u n d a t i o ns o i lw i l la d d 、析t ht h ef o u n d a t i o nh o r i z o n t a ld r a gc o e f f i c i e n ta n dt h e b a s e p l a t e ss i z ei n c r e a s i n g a l lr e s e a r c hw o r kh e r ec a nb er e f e r r e db y e n g i n e e ra n dr e s e a r c h e ri nt h ef i e l d k e yw o r d s ：m a s sc o n c r e t e ；b a s e p l a t e ；r e s t r i c t i o no ff o u n d a t i o ns o i l ； t h e r m a ls t r e s s ；t e m p e r a t u r ec r a c k s ；t h ef o u n d a t i o nh o r i z o n t a ld r a gc o e f f i c i e n t ；b a s e p l a t e ss i z e 目录 第一章绪论1 1 1 工程结构裂缝的基本概念1 1 2 国内外研究现状。3 1 3 “抗”与“放 的裂缝控制原则5 1 4 本文研究的目的和内容7 第二章大体积混凝土底板的温度裂缝8 2 1 大体积混凝土结构的定义8 2 2 大体积混凝土底板的特点8 2 3 大体积混凝土底板裂缝的分类。9 2 4 大体积混凝土底板裂缝的产生原因：1 0 2 5 大体积混凝土底板裂缝的控制措施1 1 2 6 本章小结1 8 第三章大体积混凝土结构中的温度场1 9 3 1 混凝土的热学性能1 9 3 2 热传导方程2 0 3 3 大体积混凝土温度场的形成2 6 3 4 大体积混凝土温度场重要参数及主要影响因素2 9 3 5 本章小结3 3 第四章大体积混凝土底板的温度应力研究3 4 4 1 温度应力的概念3 4 4 2 温度应力的类型3 5 4 3 关于地基水平阻力系数c ，一3 8 4 4 大体积混凝土底板的温度应力3 9 4 5 本章小结4 7 第五章地基土约束下大体积混凝土底板温度应力的有限元分析4 8 5 1 概述一4 8 5 2 摩擦模拟处理5 0 i i i 5 3 某大体积混凝土底板的温度应力计算5 2 5 4 本章小结6 4 结论与展望6 5 结论。6 5 展望6 6 参考文献6 7 致谢6 9 i v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 工程结构裂缝的基本概念 我国的工业设施、基础设施以及民用建筑大量采用混凝土和钢筋混凝土结构，但是 大部分混凝土结构、砌体结构等建筑物在建设以及使用过程中都出现了不同形式、不同 程度的裂缝，可见裂缝是一个相当普遍的现象，一直困扰着工程技术人员。 结构的设计建立在强度的极限承载力基础上，但大多数工程的使用标准却是通过裂 缝进行控制的。主要是因为裂缝的扩展标志着结构物破坏的开始，使结构物的承载力受 到一定程度的威胁；而且结构中的裂缝还影响了建筑的舒适性、正常使用功能等，例如， 高层建筑现浇楼板中裂缝的出现使得人们对裂缝产生一种破坏前兆的恐惧感。同时，裂 缝可以引起结构物的渗漏，引起其持久强度的降低，如高速公路隧道裂缝、高层建筑地 下室外墙裂缝均会导致地下水的渗入，从而影响了设备的安全运转。所以，习惯上甚至 大部分验收规范、工程现场等都不允许结构物中有裂缝出现。近代科学对于混凝土的亚 微观研究以及大量的工程实践表明了结构物裂缝的不可避免性，裂缝是混凝土的一种材 料特征，但裂缝的有害程度是可控制的。 工程结构中出现的裂缝是多种多样的，按其产生的原因大致可以分为以下几类【l j ： 荷载作用下的裂缝( 结构性裂缝占了1 0 左右) ；变形作用下的裂缝( 非结构性裂缝占 了8 0 左右) ；混合作用下的裂缝( 约5 , - - 1 0 ) i 碱骨料反应( 小于l ) ；质量力( 惯 性力) 引起的裂缝。按裂缝有害程度( 宽度对使用功能及耐久性要求) 可分为：有害裂 缝指贯穿性纵深及浅层裂缝( 到达受力钢筋部位) ，包括轻度裂缝( 按宽度略超过 规定2 0 ) 、中度裂缝( 超规定5 0 ) 以及重度裂缝( 超规定l o o ) ；无害裂缝包 括微观裂缝、表面裂缝及一定程度的宏观裂缝，其中微观裂缝又主要有三种：粘着裂缝、 水泥石裂缝以及骨料裂缝。按裂缝出现的时间可分为：早期裂缝指出现在浇筑后 o 3 d 内的裂缝；中期裂缝指出现在浇筑后2 8 1 8 0 d 内的裂缝；后期裂缝指出 现在浇筑后1 8 0 3 6 0 d 或7 2 0 d 内的裂缝，根据配合比及环境收缩应力潜伏期最终将达到 2 0 年。按裂缝形状可分为横向直裂缝( 垂直于板长度方向的裂缝) ；纵向直裂缝( 平行 于板长度方向的裂缝，也叫水平缝) ；斜裂缝；竖向直裂缝( 垂直于长墙及梁方向的裂 缝，也包括个别水平沉缩裂缝，对于竖向直裂缝本文将会在第四章做详尽分析) ；枣核 形裂缝( 形状为中间宽两端窄的裂缝) ；龟裂缝( 由强约束或者碱骨料反应引起的水平 第一章绪论 裂缝及龟裂缝，无方向性，也称均裂) ；4 5 。切角斜裂缝( 沿板角部或沿板对角线方向 出现的裂缝) ；八字斜裂缝( 出现在墙上或梁上对称或非对称位置的裂缝) 。 在一般的工业以及民用建筑工程中，宽度 0 ) ，这样，混凝土内部还存在残余温度应力，会严重导致结构开裂。 2 5 大体积混凝土底板裂缝的控制措施 2 5 1 裂缝控制的基本理念 从大量工程裂缝处理的实际经验中，可以得到一个重要的理念： 裂缝不可避免，但裂缝对结构的有害程度是可控制的，生产、生活使用功能、环境 条件决定了裂缝是否有害的界限。工程师的全部艺术是把裂缝控制在无害范围内，并将 第二章大体积混凝土底板的温度裂缝 无害裂缝减少到最低限度。 钢筋混凝土裂缝的发展及处理过程如下列各阶段： 断孙扩展：二( 燃坏， 啦 修补后满足使用性能 在大体积混凝土内一旦出现大的裂缝，要利用后期的修补来恢复结构的整体性实际 上是很困难的，不仅费时费事，而且损失很大。因此，对于大体积混凝土结构的裂缝， 应该以预防为主。但是，想要完全防止大体积混凝土结构裂缝的出现，又是一项艰巨的 任务，不仅需要精心设计，还需要精心施工。 2 5 1 裂缝控制的设计措施 l 、增配构造筋 大体积混凝土结构的配筋不仅需要满足结构强度和构造的要求，还需要结合大体积 混凝土的施工工艺( 分层浇筑、整体浇筑、跳仓浇筑) ，配置承受因水化热和收缩引起 的温度应力以及控制结构中出现的温度裂缝所需的构造钢筋。 薄壁结构( 壁厚2 0 0 - - 6 0 0 m m ) 如墙、板、梁等，可增配构造钢筋，使构造筋起到 温度筋的作用，能有效地提高抗裂性能f 2 4 1 。应尽可能地合理布置“细而密”的构造钢筋， 也就是采用小直径、小间距，一般情况下8 1 4 m m 的钢筋直径和1 5 0 m m 的钢筋间距是 比较合理的，并将构造筋布置在受力筋的外侧。配筋率越大，收缩越小，但配筋率过大 则会增加混凝土的拉应力【2 5 1 。全截面的配筋率不应小于o 3 ，宜在o 3 o 5 之间。受 力筋能满足变形构造要求的，不再增加温度筋；构造筋不能起到抗约束作用的，应增配 温度筋。注意在收缩应力集中区，加强构造配筋；预应力结构加强非预应力配筋。构造 筋的设计是控制工程裂缝和质量的关键，如某核电站反应堆基础顶部采用直径 2 5 3 2 m m ，间距4 0 0 r a m 的构造筋，对于抗裂不起任何作用，结果出现了大量放射形裂 缝【。 2 、后浇带法及跳仓法 在现浇整体式混凝土结构中，只在施工阶段保留的临时性变形缝，即“后浇带 。 其目的是代替混凝土结构中的永久缝，与混凝土的温度收缩应力、差异沉降等有关，因 此，后浇带是设计中的伸缩缝和沉降缝，是一种临时性的缝。后浇带可以分为三类：沉 1 2 长安大学硕士学位论文 降后浇带、温度后浇带和补偿收缩混凝土后浇带【2 6 】。温度后浇带的封闭时间为4 5 天至 2 个月；沉降后浇带的封闭时间是在主楼封顶后，工期拖延较长。后浇带的宽度一般应 在7 0 0 1 0 0 0 m m 左右，实际中较多采用1 0 0 0 m m 。在正常施工条件下，后浇带的间距为 2 0 - - , 3 0 m ，不宜超过4 0 m 。后浇带处的钢筋连续不断。后浇带般采用普通等强混凝土 填充，在中低强度等级( c 2 0 2 5 ) 的混凝土结构中，要求采用比原结构的强度等级高 一级的混凝土填充。另外，仍需注意后浇带的间歇时间及严格执行后浇带中垃圾的清理。 在大体积混凝土工程施工中，将超长的混凝土块体分为若干小块体，经过短期的应 力释放，再将若干小块体连成整体，依靠混凝土抗拉强度抵抗下一段的温度收缩应力的 施工方法称为“跳仓法 1 1 】。跳仓法是后浇带法的进一步发展，具有许多优点。跳仓施 工，分仓间歇时间为7 l o d ，比后浇带法可节省工期。如深圳市民广场地下停车库大面 积钢筋混凝土施工中，采用了跳仓浇筑综合技术施工工艺，即将整个结构按垂直施工缝 分段，间隔一段、浇筑一段，经过约3 7 d ，再浇筑成整体，本工程比采用后浇带法提前 两个月完成，同时节省了建设投资，工程结构裂缝控制取得圆满成功 2 7 1 。 后浇带法和跳仓法实际上是一个道理，两种方法的基本原理是相同的，都属于“先 放后抗的原则，可控制旖工期间的较大温差与收缩应力。 3