（岩土工程专业论文）桩约束条件下大体积混凝土底板裂缝的研究.pdf

r e s e a r c ho fc r a c ki nm 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 yp i l ef o u n d a t i o n 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 or o n g r o 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 删4川6m 20m 3 咖7ii_y 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已经公开发表的成果。 本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：钕铱朱 p 年j 月才日 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： 务雾家 高驯 铲p 年上月对日 力o f o 年r 只如 摘要 随着高层建筑的发展，大体积混凝土底板得到越来越广泛的应用。伴随着大体积混 凝土结构的广泛应用，大体积混凝土结构裂缝产生的危害性也越来越引起设计和施工人 员的关注。大体积混凝土底板开裂问题屡见不鲜，一直是工程界的难题，至今也没有找 到可靠的方法能够完全予以解决，但是已经明确了开裂的原因主要有两方面：一方面是 由于内外温差、每天温度的变化使得结构内部出现温度应力，另一方面是由于混凝土底 板的凝固收缩受到桩和地基土的约束作用而产生拉应力。因此本文着重从这两方面来分 析如何控制裂缝的发展。 本文通过对大体积混凝土、裂缝的概念、裂缝所产生的原因以及危害的分析，对国 内外在该领域里的研究现状进行研究，并从混凝土材质、结构设计、施工等方面总结大 体积混凝土底板温度裂缝控制方法及防止措施；从理论上分析大体积混凝土温度场的概 念，温度应力的计算方法，用有限元分析软件a n s y s 对结构进行热结构耦合模拟，分 析了影响大体积混凝土温度应力的主要因素。 本文主要研究了桩对大体积混凝土底板所产生的约束及约束对底板开裂的影响，因 为约束的大小直接影响到混凝土内部的温度应力。约束的大小与桩的直径、桩距、桩和 底板之间的构造等有关，所以本文通过调整桩的直径、桩距、在桩与底板接触的地方设 置橡胶垫来控制桩对底板的约束，并采用a n s y s 软件模拟了在改变桩径，桩距，桩长 等情况下桩对底板的约束情况。通过模拟和进一步分析，得到了桩约束条件下大体积混 凝土底板的温度应力分布状况。从模拟分析得知，约束条件的不同对底板应力的影响有 很大差异。而且通过相关理论验证了这一结果的合理性，由此可知，通过控制约束的大 小可控制底板的应力，达到控制裂缝的目的是合理的。 本文的研究结果为防止大体积混凝土底板开裂的设计和施工提供了有效参考。 关键词：大体积混凝土，温度场，温度应力，温度裂缝，约束，桩 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h eh i g hb u i l d i n g ，m a s sc o n c r e t eb a s e p l a t ei su s e dw i d e l ym o r e a n dm o r e w i t ht h ea p p l i c a t i o no fm a s sc o n c r e t es t r u c t u r e ，h a r m f u l n e s so fc r a c k so fm a s s c o n c r e t es t m c t l ea r o u s e dt h ea t t e n t i o no fd e s i g n e r sa n dc o n s t r u c t i o nw o r k e r s t h ec r a c ko f m a s sc o n c r e t eb a s e p l a t ei sac o m m o np r o b l e mt oe n g i n e e r i n gf i e l d ，b yn o w , p e o p l eh a v en o t y e tf o u n dar e l i a b l ew a y t os o l v et h ep r o b l e m ，b u th a v ef o u n do u tt w om a i nr e a s o n so fc r a c k p r o b l e m ：o n ei s t h a tt h ei n t e r n a lt e m p e r a t u r es t r e s so fo ft h es t r u c t u r ei sc a u s e db y t e m p e r a t u r e d i f f e r e n c e sb e t w e e ni n s i d ea n do u t s i d eo fs 缸1 j c t l l r ea n dd a i l yt e m p e r a t u r e c h a n g e s ，t h eo t h e ri st h a tt h et e n s i l es t r e s si sc a u s e db yc o n c r e t eb a s e p l a t es h r i n k a g eu n d e r r e s t r i c t i o no fp i l e sa n df o u n d a t i o ns o i l ，s ot h i sa r t i c l ei sc o n c e n t r a t eo na n a l y z i n gh o wt o c o n t r o lc r a c k sf r o mt h i st w oa s p e c t s i nt h i sa r t i c l e ，a u t h o rm a i n l ya n a l y s e st h ec o n c e p to fm a s sc o n c r e t ea n dt h ec r a c k ，c r a c k r e a s o na n dt h eh a r m f u l n e s so fc r a c k a l s o ，a u t h o rg i v e sab r i e fs u m m a r yo ft h er e s e a r c hs t a t u s i nt h i sf i l e da th o m ea n da b r o a d ，a n df r o mt h ec o n c r e t em a t e r i a l s ，鼬r i l c 删d e s i g na n d c o n s t r u c t i o n se c t , a s p e c t s ，t h ea u t h o rg i v e sas u m m a r yo fc o n t r o lm e t h o d so ft h em a s s c o n c r e t eb a s e p l a t et e m p e r a t u r ec r a c k s ；a n a l y s i st h ec o n c e p to ft h em a s sc o n c r e t et e m p e r a t u r e f i e l d ，u s es o f t w a r ea n s y st od ot h et h e r m a ls t r u c t u r ec o u p l e ds i m u l a t i o nt ot h es t m c t u r e ，a n d a n a l y s i st h em a i ni n f l u e n c ef a c t o r so f t h em a s sc o n c r e t et e m p e r a t u r es t r e s s t h i sp a p e rf o c u s e so nc o n s t r a i n t so fp i l et ot h em a s sc o n c r e t ea n di n f l u e n c e so f c o n s t r a i n t so nt h ec o n c r e t eb a s e p l a t ec r a c k s t h ec o n s t r a i n ts i z ea f f e c t si n t e r n a lt e m p e r a t u r e s t r e s so ft h ec o n c r e t e ，a n dc o n s t r a i n ts i z eh a sr e l a t i o n s h i pw i t ht h ep i l ed i a m e t e r , s p a c i n g ，a n d t h es t r u c t u r e sb e t w e e nt h ep i l ea n db a s e p l a t e b ya d j u s t i n gt h ep i l ed i a m e t e r , s p a c i n g ，a n d s e t t i n gr u b b e rp a d si nt h ec o n t a c tp l a c eb e t w e e np i l ea n db a s e p l a t et oc o n t r o lt h ec o n s t r a i n t ， m e a n w h i l et h ea u t h o ru s e ss o f t w a r ea n s y sf o rs i m u l a t i o n , b ya d j u s t i n gp i l ed i a m e t e r , s p a c i n g ，a n dl e n g t hc o n d i t i o n st oo b s e r v et h ec o n s t r a i n to fp i l et ot h eb a s e p l a t e b yt h em o d e l s i m u l a t i o n ，w eg e tt h et e m p e r a t u r es t r e s sb yt h ec o n s t r a i n to f t h ep i l et ot h eb a s e p l a t e w ec a n s e et h a tc o n s t r a i n ts i z ee f f e c ti so b v i o u st ot h eb a s e p l a t ef r o ms i m u l a t i o na n da n a l y s i s t h r o u g ht h et h e o r yw ep r o v et h er a t i o n a l i t yo f t h er e s u l t i ti sr e a s o n a b l et oc o n t r o lb a s e p l a t e s t r e s sa n da c h i e v et h ep u r p o s eo fc o n t r o l l i n gt h ec r a c k sb yc o n t r o l l i n gc o n s t r a i n t ss i z e i i t h er e s e a r c hr e s u l t si nt h i sa r t i c l ep r o v i d eau s e f u lr e f e r e n c et op r e v e n tm a s sc o n c r e t e t e m p e r a t u r ec r a c k s k e y w o r d s ：m a s sc o n c r e t e ；t e m p e r a t u r ef i l e d ；t e m p e r a t u r es t r e s s ；t e m p e r a t u r ec r a c k s ； c o n s t r a i n t ；p i l e i i i 1 2 1 国外情况2 1 2 2 国内情况3 1 3 大体积混凝土底板的特点3 1 4 本课题研究的主要内容及意义4 第二章大体积混凝土底板裂缝的形成、危害以及控制方法。6 2 1 大体积混凝土底板裂缝的形成及特点6 2 1 1 裂缝产生的原因6 2 1 2 裂缝的分类7 2 2 大体积混凝土裂缝产生的危害8 2 2 1 表面裂缝8 2 2 2 贯穿裂缝8 2 2 3 深层裂缝8 2 3 混凝土的基本物理力学性能9 2 3 1 混凝土的弹性模量9 2 3 2 混凝土的抗拉强度一1 0 2 3 3 混凝土的徐变与应力松弛。1 2 2 4 混凝土的约束1 3 2 5 混凝土结构裂缝的控制1 4 2 5 1 材料方面1 4 2 5 2 施工方面1 6 2 5 3 设计方面一1 9 2 6 本章小结2 0 第三章大体积混凝土底板温度场以及温度应力的研究2 2 3 1 大体积混凝土底板的温度场2 2 3 1 1 混凝土温度场的概念2 2 3 1 2 混凝土的热学性能2 2 3 1 3 混凝土的热传导问题2 3 3 1 4 混凝土温度场的影响因素2 9 3 1 5 大体积混凝土底板温度场的计算3 2 3 2 大体积混凝土底板的温度应力。3 5 3 2 1 温度应力的定义3 5 3 2 2 混凝土温度应力的有限元分析。3 6 3 - 3 本章小结3 8 1 l 2 录| | 目 况情究论研h夕绪言内引国 章 2 一l l 第 第四章大体积混凝土底板的热分析与影响温度应力因素的分析一4 0 4 1 大体积混凝土底板的热分析一4 0 4 1 1 关于a n s y s 软件简单介绍一4 0 4 1 2 底板熟分析模型的建立4 0 4 1 3 底板热分析结果一4 2 4 1 4 底板热结构耦合4 4 4 2 影响大体积混凝土温度应力的主要因素一4 5 4 2 1 结构长度对温度应力的影响4 5 4 2 2 水泥水化热系数对温度应力的影响一4 6 4 2 3 不同浇筑温度条件下底板温度应力的模拟分析4 8 4 2 4 大气温度对底板温度应力的影响4 9 4 3 本章小结一51 第五章桩约束下大体积混凝土底板温度应力的有限元分析：5 2 5 1 大体积混凝土底板的温度应力分析5 2 5 1 1 大体积混凝土底板模型的建立5 2 5 1 2 桩径与底板温度应力的关系5 4 5 1 3 桩间距与底板温度应力的关系5 5 5 1 4 桩长与底板温度应力的关系5 7 5 2 桩基对底板附加约束的理论计算5 9 5 2 1 地基水平阻力系数c y 的引入5 9 5 2 2 桩基阻力计算公式的推导5 9 5 2 3 桩对底板约束的理论与a n s y s 模拟值的对比。6 0 5 3 设置橡胶垫6 l 5 4 本章小结6 2 结论与展望6 4 结论6 4 展望一6 5 参考文献6 6 致谢6 8 v 长安大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 混凝土材料是建筑工程中最主要的组成材料，混凝土具有易于加工成型、能耗比较 低、良好的耐久性、易于大规模生产和施工工业化等优点，因此该材料能够被广泛应用 于各类建筑、交通、海港等工程当中。近年来，随着经济的快速发展，城市建设力度加 大，各类高层、超高层以及大型基础设备的不断涌现，大体积混凝土在结构工程中出现 的频率越来越高。例如上海浦东大桥，主塔基础承台为4 7 2 m x 3 2 2 m x 5 o m ，混凝土用量 达到7 6 0 0 m 3 。大体积混凝土在现代工程建设中占有非常重要地位，因此，大体积混凝 土结构的裂缝一直是工程界非常关注的对象。 大体积混凝土应用广泛，但是对大体积混凝土却没有一个很明确的定义。日本建筑 学会认为结构断面的最小厚度在8 0 c m 以上，并且由水泥水化热引起混凝土内部的最高 温度与外界气温之差预计超过2 5 的混凝土便可称为大体积混凝土。而美国混凝土学会 ( a c i ) 规定：“任何就地浇筑的大体积混凝土，其尺寸之大，必须要求解决水化热及随 之引起的体积变形问题，以最大限度减少开裂。前苏联规范中规定当混凝土在施工期 间被分成若干独立的混凝土构件时，要确定单独构件在水化热作用下的温度问题的混凝 土就称为大体积混凝土。从以上定义可以看出大体积混凝土是一个相对的概念。比如坝 体和厚壁构建( 壁厚1 5 2 o m ) 均称为大体积混凝土。但是厚度为2 0 0 - - 3 0 0 m m 的水 池壁、5 0 0 - - 6 0 0 的侧墙、1 0 0 0 m m 的筏板等构件也称为大体积混凝土。因为这些构件与 坝体构件相比较薄，但却不同于一般建筑物中的杆系结构，要求通过一定的措施控制、 处理温差、沉降、干缩的变化来控制裂缝的出现和发展，其中最主要的就是要控制温差。 混凝土是脆性材料，抗拉强度很低，只有抗压强度的1 1 0 左右，这就导致了混凝土 结构极其容易开裂。尤其是在大体积混凝土结构中，由于混凝土在浇筑完成之后，水泥 发生水化，使得混凝土内部集聚大量的热量，热量又不容易散失，导致温度迅速的上升， 结构内部的温度远高于外界大气温度，混凝土便会发生体积膨胀。当水泥水化结束，由 于混凝土结构温度高于大气温度，根据热平衡原理，此时，混凝土便会和外界发生热交 换，使得热量逐渐散发，温度就会下降，这时候混凝土便会发生收缩，又因为混凝土结 构受约束的作用，不能自由变形，变形受到了阻碍，所以会在混凝土结构中产生很大的 拉应力。当由于温度的变化所产生的拉应力超过混凝土的抗拉能力的时候结构会出现裂 缝。当结构中存在裂缝的时候，不仅影响了结构的美观性，最为重要的是会影响到结构 第一章绪论 的整体性和耐久性等。所以我们必须采取必要的措施控制大体积混凝土裂缝的发展。而 大体积混凝土的裂缝又主要是由温度裂缝和干缩裂缝组成，所以本文主要从温度应力的 角度来研究影响混凝土温度应力的因素，从而通过调整某些主要的影响因素达到控制温 度裂缝的目的。 1 2 国内外研究情况 大体积混凝土结构裂缝主要是由温度应力引起，在很多的大型工程中，容易出现严 重影响结构的裂缝，国内外很多专家学者、工程技术人员等致力于这方面的研究，从各 方面寻求减小大体积混凝土结构有害裂缝的措施，寻求把裂缝控制在规定范围之内的方 法。至今，在水工结构、建筑工程等领域都取得了很好的成绩，但是控制温度裂缝的措 施还不是很完善，有待于继续研究。 1 2 1 国外情况 在二十世纪三十年代，美国首先进行大坝裂缝的研究，对温度场以及温度应力作了 系统研究的基础上，对控制温度裂缝提出了新的措施，比如原材料采用低热胶凝材料以 降低水泥水化热，通过预冷骨料来控制混凝土的出仓温度，在浇筑混凝土过程中采用冷 却水管降温的方法来降低结构的内外温差，以及对浇筑完成后的混凝土表面采取保温措 施以减小降温速率等。这些措施在很大程度上控制了大体积混凝土结构的裂缝。这些方 法沿用至今，后人在此基础上并进行不断的优化。 除此之外，大部分国家还采用设置缝的方法来控制裂缝。比如，欧洲国家包括前苏 联均对伸缩缝的设置进行了规定。前苏联规范中规定连续式结构的伸缩缝间距，处于室 外和土中者为4 0 m ，露天者为2 5 m t l l 。德国钢筋混凝土结构规范d i n l 0 4 5 有关温度变化 对结构的影响只规定了计算温度差取值范围，对伸缩缝间距并无明确规定，但在设计实 践中设计伸缩缝，其间距一般为3 0 m ，德国威武钢1 7 m 工程设计的冷轧设备基础的伸 缩缝间距为3 0 4 0 m ，接近前苏联规范的规定【l 】。法国的钢筋混凝土规范规定对不能自由 膨胀收缩的结构应当考虑温度收缩影响，法国一些连续式结构设计采用3 0 4 0 m 的伸缩 缝间距【l 】。英国规范规定处于露天条件下的连续浇灌钢筋混凝土构筑物最小伸缩缝间距 为7 m ，在设计实践中不同设计单位根据自己的经验进行设计【l 】。而日本，在8 0 年代成 立了专门的研究机构一大体积混凝土温度应力研究机构，用来研究温度应力发展机理以 及计算方法，对施工缝的设置方法和设置间距提出具体要求，并在施工缝处设置橡胶止 水带以防止渗漏。日本创造性的提出了设置诱发缝的措施，人为的使裂缝发生在诱发缝 2 长安大学硕士学位论文 处，这样可以避免主体结构破坏。 1 2 2 国内情况 我国大体积混凝土结构的防裂技术研究是从二十世纪五十年代开始的。我国现行 钢筋混凝土结构设计规范( g b j l 0 8 9 ) 规定：现浇钢筋混凝土连续式结构，处于室 内、土中条件下的伸缩缝间距为5 5 m ，室外条件下为3 5 m ；对于无钢筋混凝土工程相应 间距分别为2 0 m 和1 0 m ，与水工结构相近【2 】。 在以上规范的基础上后人又做了深入的研究，朱伯芳为理论研究的代表，主要研究 温度场、温度应力的变化规律以及相关的计算方法。理论研究随着试验技术的不断完善 和计算水平的逐渐提高而发展。而工程实践则是以王铁梦为代表，编写了工程结构裂 缝控制专著，此书系统的论述了结构因温度应力引起的裂缝，对控制结构温度裂缝有 相当重要的参考价值。外国对大体积混凝土在抗裂方面的研究比我国要早很多，所以， 我国是以西方国家的研究为基础，吸收了他们的先进经验，对混凝土裂缝的控制进行研 究。目前，我国对温度场以及温度应力变化规律的研究、计算方面达到了国际水平，比 如采用分层分块浇筑混凝土、在水中加冰、提前对骨料降温、浇筑中使用水管冷却、采 取表面保温等混凝土防裂技术措施均被广泛应用。除此之外，新材料的应用、新工艺的 实施、新技术的开发也使得我国在大体积混凝土防裂技术方面取得了很大成果。主要表 现在：广泛应用减水剂、粉煤灰等混合材料，成功推广了微膨胀混凝土技术，应用新兴 建筑材料等。 由以上的总结可以得出，其实目前大多数国家主要还是通过设置永久缝来控制裂缝， 伸缩缝间距一般为3 0 - - 4 0 m ，个别的也有1 0 - - 2 0 m ，也有少数工程采用设置临时缝代替 永久缝的方法，这类临时缝也称后浇缝，其间距一般为1 0 - 3 0 m ，这种措施的主要依据 是经验性的。由此可见，裂缝是难以避免的，所以在工程中都留有排水沟，实行裂了就 堵，堵不住就排的设计方法m 】。 1 3 大体积混凝土底板的特点 ( 1 ) 混凝土属脆性材料，其抗拉强度很低，大约只有抗压强度的1 1 0 。混凝土的拉 伸变形能力很小，短期加载条件下的极限拉伸变形只有( 0 6 - 1 o ) x 1 0 4 ，相当于温度 降低了大约6 1 0 时的变形，长期加载条件下的极限拉伸变形也只有( 1 2 - 2 0 ) 1 0 4 1 3 1 。大体积混凝土底板一般厚度比较大，混凝土用量大，在混凝土浇筑以后，水泥 水化产生大量的热量，这将导致混凝土底板内部温度急剧上升。另外，大体积混凝土底 第一章绪论 板内部散热条件有限，所以水化热大部分集聚在底板的内部，使得混凝土内部温度与室 外温度之差常常在2 5 以上。此时，混凝土处于升温阶段，温差必将引起混凝土温度变 形，但是由于此时混凝土的弹性模量很小，加之混凝土的徐变性能较大，虽然混凝土产 生较大的温度变形，但是由于温升所产生的应力并不是很大。在混凝土浇筑完成，水泥 完全熟化之后，内部温度不再上升，反而随着混凝土与外界热量交换的进行，热量散失， 温度逐渐降低。随着混凝土龄期的增长，混凝土的弹性模量逐渐增大，徐变能力逐渐减 小，底板在桩等其它约束下开始收缩，并产生很大的拉应力。当底板的拉应力超过混凝 土的抗拉强度时，混凝土底板将出现裂缝。 ( 2 ) 基础底板一般采用等级强度相对较高的混凝土。施工在建筑基坑内进行，特殊 环境使得施工期间混凝土内部的散热相对较慢，而且底板内部的配筋量大且复杂，钢筋 直径也大，钢筋的变形模量与混凝土相差较大，所以，在混凝土底板收缩时很容易引起 钢筋表面的裂缝。 ( 3 ) 结构形式常采用现浇钢筋混凝土超静定结构，温差与收缩变化比较复杂，底板 又受到桩以及地基土的约束作用较大，容易引起结构开裂。 ( 4 ) 底板为地下建筑结构，与其它结构相比，除了要求强度、刚度、稳定性之外还 要求其具有一定的防水性、抗渗性、整体性等。因此，在大体积混凝土底板结构质量控 制中，裂缝控制是问题的关键所在。 ( 5 ) 坝体混凝土结构主要是通过采用特殊低热水泥以及复杂的冷却系统等方法来进 行裂缝控制，但是由于基础底板和坝体结构不同，因此，控制裂缝的方法也不能完全照 搬坝体结构的裂缝控制方法，只能作为借鉴。底板的裂缝控制主要是通过改进结构设计、 进行合理的配筋、保证良好的施工质量来提高结构的抗裂性能。 1 4 本课题研究的主要内容及意义 随着经济和现代建筑技术的快速发展、城市大型公共设施的大力建设、高层建筑的 兴起，除了桥梁、大坝以及大型设备的基础应用大体积混凝土之外，在现代工业与民用 建筑中，大体积混凝土也得到了广泛的应用。大体积混凝土由于自身特点很容易造成开 裂问题，虽然前人们在裂缝控制方面已经做了不少研究，但是大部分研究内容是针对水 工结构的，对建筑中所用的大体积混凝土研究相对较少。目前也有不少建筑所用大体积 混凝土的设计及施工借鉴了水工结构的研究成果，但由于二者设计理论上还存在着本质 区别，所以，还有待于在建筑大体积混凝土结构方面做更深入的研究，以便解决实际问 4 长安大学硕士学位论文 题。 本文在前人研究的基础上，主要做了以下工作： ( 1 ) 总结大体积混凝土底板的特点，阐述了底板开裂的机理以及裂缝对结构造成的 危害，从混凝土的材质、混凝土结构的设计、施工等方面介绍裂缝的控制方法。 ( 2 ) 介绍温度场、温度应力理论以及计算方法，用a n s y s 模拟影响温度应力的主 要因素。通过软件的模拟得出了控制温度应力的有效方法，从而控制温度裂缝。 ( 3 ) 用a n s y s 模拟不同桩径，桩间距、不同桩长等约束情况下底板的温度应力， 还通过在桩与底板之间设置橡胶垫板来减小桩对底板的约束，从而得出合理的控制大体 积混凝土底板裂缝的方法。 5 第二章大体积混凝土底板裂缝的形成、危害以及控制方法 第二章大体积混凝土底板裂缝的形成、危害以及控制方法 2 1 大体积混凝土底板裂缝的形成及特点 2 1 1 裂缝产生的原因 混凝土结构在实际使用的过程当中承受两大类荷载：第一类荷载为外荷载( 包括静 荷载、动荷载以及其他荷载) ，第二类荷载为变形荷载( 包括温度、收缩以及不均匀沉 降) 。裂缝的成因主要可以分为以下三种【3 】： ( 1 ) 外荷载( 静、动荷载) 的直接应力，即按照常规计算方法计算的主要应力所引 起的裂缝。 ( 2 ) 外荷载作用，也称结构次应力引起的裂缝。 ( 3 ) 变形变化所引起的裂缝。结构是由于温度变化、收缩、膨胀以及不均匀沉降等 因素而引起的裂缝。这种裂缝的产生首先要求结构发生变形，当变形得不到满足就会引 起应力，而应力大小与结构的刚度大小有很大关系，当应力超过混凝土的抗拉能力的时 候便会引起裂缝，裂缝出现后变形即可得到满足或部分满足，此时刚度下降，应力发生 松弛。由变形引起的裂缝占了8 0 左右。 由外荷载以及外荷载作用引起的裂缝一般通过合理的计算配筋都能解决，所以，在 大体积混凝土底板中裂缝的形成主要是由变形变化引起的。大体积混凝土结构在水泥水 化的时候引起较大的温升，随后温度逐渐降低，在此过程中产生很大的温度应力。除了 温度引起裂缝，还有混凝土的收缩等，混凝土的收缩分为四类：包括自生收缩、塑性收 缩、碳化收缩以及干缩( 也称失水收缩) 。 自生收缩是混凝土在硬化的过程中由于化学作用所引起的收缩，也称其为硬化收 缩，该收缩与外界湿度没有关系。自生收缩又分为正的( 缩小) 变形和负的( 膨胀) 变 形。普通的硅酸盐水泥混凝土的收缩就是正的变形，而矿渣水泥混凝土的收缩是负的， 参用粉煤灰的混凝土也发生的是负的收缩。我们可以根据不同的用途和混凝土的收缩性 质而合理选择不同品种的混凝土。 塑性收缩是混凝土在浇筑后4 1 5 h 左右，水泥发生激烈的水化反应，分子链逐渐 形成，出现泌水和水份急剧蒸发现象而引起的失水收缩，该收缩是发生在混凝土初凝的 过程中，此时胶合料和骨料之间产生不均匀的沉缩变形，这些变形都发生在塑性阶段， 因此称这类变形为塑性收缩。塑性收缩非常大，大约可达到1 ，所以在大体积混凝土 浇筑完成后的4 - 1 5 h 内，在混凝土的表面，尤其是在养护不良的部位会出现龟裂，这 6 长安大学硕士学位论文 些裂缝属于表面裂缝，此类裂缝分布没有规则，缝宽且密，又由于沉缩作用，裂缝往往 是沿钢筋分布的。 塑性收缩与混凝土的水灰、灰泥的用量、外掺剂的种类、粗骨料的用量以及振捣情 况等有关。若混凝土用水量过大，振捣不良，表面失水多等都会导致结构表面开裂，出 现塑性裂缝。 碳化收缩指的是水泥中的水化物与大气中的二氧化碳发生化学反应而引起的收缩。 碳化收缩的程度与水泥的碱度有关，而且碳化是在适中的适度环境下才能发生。 干缩也称失水收缩，是水泥石在水湿和干燥环境中产生的湿涨和干缩现象。最大收 缩发生在第一次干燥之后，而且收缩和膨胀部分可逆。混凝土的干缩变形过程比较复杂， 并且影响因素多，如水泥的标号、磨细度、用量、骨料的种类、水灰比、混凝土的振捣 情况、混凝土的养护方法等等。 2 1 2 裂缝的分类 裂缝的存在是一种普遍现象，混凝土建筑物在建设和使用过程中出现了不同程度、 不同形式的裂缝。结构的设计是建立在强度的极限承载力基础上的，但是大多数工程的 使用标准却是由裂缝进行控制的，这主要是因为结构的破坏和倒塌是由裂缝的扩展开 始，裂缝的扩展意味着结构物开始破坏，其承载力也会受到一定威胁。同时，结构物的 裂缝可以引起水的渗漏，造成持久强度的下降，如保护层剥落、钢筋腐蚀、混凝土碳化 等。所以，某些验收规范和工程现场都是不允许结构物中出现裂缝的。 混凝土是由水泥浆和砂子、石子组成的水泥浆体与骨料的复合型脆性材料 4 6 , 4 7 a 引。 六十年代以来，有关混凝土的现代实验研究设备的出现完全证实了在尚未受荷载的混凝 土、钢筋混凝土结构中存在肉眼不可见的微观裂缝，简称微裂。微裂缝主要有三种：粘 着裂缝、骨料裂缝、水泥石裂缝。混凝土的微裂主要指的是粘着裂缝和水泥石裂缝。混 凝土中微裂缝的存在对混凝土的基本物理力学性质有着非常重要的影响。 当缝宽 0 0 5 m m 时称为微裂缝，混凝土微裂是肉眼看不见的。当缝宽o 0 5 m m 时 称为“宏观裂缝 。微观裂缝扩展就变成宏观裂缝。在一般的工业以及民用建筑中，宽 度 0 0 5 m m 的裂缝对使用( 防水、防腐、承重) 是没有危险性的，故可以认为具有 0 0 5 m m 裂缝的结构为无裂缝结构。 综上所述，混凝土中裂缝的存在是绝对的，不存在裂缝是相对的，因此我们通常所 说的结构的抗裂质量是把裂缝控制在一定宽度范围内，也就是控制宏观裂缝。 7 第二章大体积混凝土底板裂缝的形成、危害以及控制方法 2 2 大体积混凝土裂缝产生的危害 裂缝按照其宽度可分为微裂缝和宏观裂缝，按照其深度又可以分为表面裂缝，深层 裂缝和贯穿裂缝。不同的裂缝形式对结构产生不同程度的危害，不同的裂缝是由不同的 因素引起的，我们要针对不同形式的裂缝采取不同的防治方法。 2 2 1 表面裂缝 混凝土的干缩变形和混凝土的非线性温度场约束，大气温度的突然变化等引起混凝 土表面产生很大的温度梯度，表层混凝土受到内部混凝土的约束产生拉应力，当该应力 大于混凝土的抗拉强度的时候，混凝土的表面会产生裂缝，即表面裂缝。如果没有其它 因素的影响，表面裂缝一般不能形成深层裂缝或贯穿裂缝。 表面裂缝不属于结构性裂缝，但是在混凝土发生收缩时，由于表面裂缝处的断面已 经削弱，容易在此处产生应力集中现象，会促使裂缝进一步开展。表面裂缝一般发生在 结构的棱角处，如下图所示。 iljj 图2 1 表面裂缝 2 2 2 贯穿裂缝 贯穿裂缝也叫体裂缝，在基础底板中，当混凝土由于降温和水份蒸发等因素引起收 缩变形，而这种变形受到桩体或者地基土等的约束，此时在混凝土板的内部会产生很大 的拉应力，当拉应力超过混凝土的抗拉应力时便产生贯穿裂缝。由上可知，外界的约束 也是引起贯穿裂缝的一重要因素。 贯穿裂缝切断了结构物的断面，破坏了结构物的整体性、耐久性、防水性等，会影 响正常使用功能。可见贯穿裂缝对结构的危害比较大，所以要采取一切措施，杜绝贯穿 裂缝的出现。贯穿裂缝的形式如下图所示： 厂f 图2 2 贯穿裂缝 2 2 3 深层裂缝 深层裂缝是出现在脱离基础约束范围以外的表面裂缝，在经历了较长时间的降温过 8 长安大学硕士学位论文 程后，如果混凝土内部温度较高，将会在内部形成温度梯度比较陡的复杂温度场，从而 使得裂缝向纵深发展形成了深层裂缝嗍。深层裂缝部分切断了结构的断面，对结构有很 大的危害，在施工中也是不允许出现的。 iljj 图2 3 深层裂缝 2 3 混凝土的基本物理力学性能 2 3 1 混凝土的弹性模量 混凝土是多相复合材料。在应力一应变曲线上，任意一点的应力与相应应变的比值 称为在该应力状态下的变形模量。变形模量反映的是混凝土所受应力与所产生的应变之 间的关系。混凝土浇筑以后，水化热的散发以及温度场的变化与混凝土弹性模量同步变 化，混凝土在早期阶段，由于水泥水化放热使得混凝土的温度变化显著，使得混凝土获 得较大的应变，在弹性模量的基础上产生了明显的应力。在建立模型分析中，弹性模量 的大小决定了相应由于温度变化而产生应力的水平。在计算混凝土的变形、裂缝的开展 以及大体积混凝土温度应力时，都要用到该时刻的混凝土的变形模量。影响混凝土弹性 模量主要因素5 , 8 , 5 0 , s i , 5 2 , 5 3 】： l 、孔隙率 随着混凝土水灰比的增加，浆体内的孔隙比上升，模量随之减小。 2 、湿度 在强度一弹性模量关系中，明显可以看出弹性模量与湿度有很大关系。干燥混凝土 的强度要比饱和混凝土的强度高，但是对于弹性模量来说正好是相反的，混凝土处于干 燥状态时的弹性模量低于混凝土处于饱和状态时的弹性模量。 3 、骨料 骨料的性能与数量对弹性模量有很大的影响。主要是因为弹性模量部分取决于浆体 一骨料界面微裂缝的开展，骨料的形状、成分、数量都会影响弹性模量的大小。比如， 用碎石配置的混凝土的弹性模量要比用卵石配置的混凝土的弹性模量要小。 4 、温度与龄期 混凝土的弹性模量随着强度的增加而升高。但是在混凝土的早期阶段，弹性模量增 长的速度要大于混凝土抗压强度的发展。在低应力水平时，应力一应变关系也表现为非 9 第二章大体积混凝土底板裂缝的形成、危害以及控制方法 线性。 ( 5 ) 施工方法 混凝土强度越高其弹性模量就越大，因此，在施工中可以采用有利于提高混凝土强 度的措施。比如，蒸汽养护混凝土的弹性模量高于标准养护混凝土的弹性模量。 ( 6 ) 外加剂 在混凝土中加入各种外加剂可以使混凝土获得必要特性。外加剂的种类繁多，主要 有加气剂、减水剂、缓凝剂、速凝剂、塑化剂、防水剂等。其中缓凝剂通过延缓水泥水 化而改变混凝土强度增长速率，从而影响混凝土的弹性模量。其它外加剂如减水剂、加 气剂等通过改变混凝土的孔隙率、水灰比，干扰了混凝土弹性模量的发展。引气剂由于 内部存在气泡，使得混凝土的弹性模量有所降低，有利于混凝土抗裂性能的提高。另外， 气泡的存在减小了混凝土的有效受压( 拉) 面积，从而降低了混凝土的强度，但掺加气 剂可降低水灰比，使得强度得到补偿。 2 3 2 混凝土的抗拉强度 大体积混凝土产生裂缝的原因很多。但是总的来讲，绝大部分是因为混凝土水化热 所引起的温度应力及收缩作用超过了混凝土的抗拉强度，因此，抗拉强度是混凝土非常 重要的性质。大体积混凝土是否开裂的一个重要指标就是混凝土早期抗拉强度的发展， 混凝土的抗裂性能随着混凝土的早期抗拉强度的发展而增长，因此，在进行混凝土抗裂 计算中要充分考虑这一重要影响因素。普通混凝土一般发生的是粘结面破坏；另外，当 水泥强度降低时，水泥石自身的破坏也属于常见类型；由于骨料强度一般大于水泥石和 粘结面的强度，因此骨料自身的破坏是十分罕见的。由上述可见，混凝土的强度主要取 决于水泥石强度和水泥石与骨料的粘结强度。水泥石强度和粘结强度与水泥的标号、水 灰比、骨料的种类密切相关。除此之外，混凝土的强度还与龄期、施工质量、养护条件 有关【5 , 8 , 5 0 , 5 1 , 5 2 , 5 3 】。 ( 1 ) 水泥 水泥是混凝土中的活性组分，水泥强度的大小直接决定混凝土强度的高低。同一品 种的水泥，混凝土强度随着水泥标号的升高而升高，随水泥标号的降低而降低。不同品 种的水泥在熟料粉碎时掺入了不同成分和比例的活性材料和填充材料，改变了水泥的部 分性能，且不同品种的水泥有不同的早期强度、水化热和使用范围。配置混凝土时所使 用不同标号不同品种的水泥直接决定了混凝土的强度和使用性能。下表是普通混凝土和 矿渣水泥相关性能的比较。见表2 1 1 0 长安大学硕士学位论文 表2 1 矿渣水泥和普通水泥性能比较 水泥的品种早期强度水泥水化热硬化收缩( 同水灰比)抗外界侵蚀能力 普通水泥高高大 较差 矿渣水泥低低小有较高耐腐性 ( 2 ) 水灰比 采用相同品种和标号的水泥配置的混凝土强度主要是取决于毛细管孔隙率和胶空 比，这些量都很难测定。不过混凝土在充分密实的条件下，毛细管孔隙率是由水灰比确 定，也就是说混凝土的强度取决于水灰比。水灰比越小，水泥石的强度就越高，水泥与 骨料的粘结强度也越大，混凝土的强度也就越高。但是，混凝土除了要求有足够的强度， 还要求满足和易性、水泥用量等，水灰比不宜太小，否则，混凝土强度的发展将受到影 响。 ( 3 ) 温度与龄期 水泥水化受水化温度和时间的影响，因此，混凝土强度的增长也受水化温度和时间 的影响。混凝土硬化，原因是水泥的水化。周围环境的温度显著地影响水泥