早期混凝土的温度应力及裂缝控制毕业论文.docx

早期混凝土的温度应力及裂缝控制毕业论文目录中文摘要.111ABSTRACT.IV绪论.11混凝土温度应力及裂缝理论.21.1课题背景.21.2国内外有关研究的现状.212.1国外混凝土结构早期温度应力和裂缝研究现状.21.2.2国内混凝土结构早期温度应力和裂缝研究现状.31.3本文主要研究内容.41.4裂缝的概念.51.4.1裂缝的基本概念.51.4.2混凝土的微观裂缝与宏观裂缝.61.4.3裂缝产生的主要原因.71.5裂缝产生的机理.81.6影响混凝土结构早期裂缝的囚素.81.6.1配筋对混凝土裂缝的影响.101.6.2徐变对混凝土裂缝的影响.112混凝土早期温场.122.1混凝土早期温度场理论.122.1.1傅立叶法则.122.1.2内部生热率.132.1.3边值条件.142.2有限元方法模拟.162.2.1有限元的发展及其概念.162.2.2温度场有元计算原理.172.3温度场计算实例分析.182.3.1工程概况.182.3.2对温度场的模拟.213混凝土早期应力场.253.1混凝土早期应力场理论.253.1.1热膨胀系数.263.1.2力学性能的成长.263.1.3对徐变的考虑.273.1.4对钢筋的考虑.273.2热一结构效应祸合.犯3.3温度应力的有限元模拟.33.3.1温度应力模拟的有限元原理.333.3.2温度应力的计算和分析.334国家体育场钢结构混凝土承台基座的温度应力及裂缝控制.394.1工程概况.394.2温度场分析.404.2.1温度场分析参数.404.2.2温度场分析.424.3应力场分析.514.3.1混凝土应力分析参数确定:.514.3.2混凝土应力场分析:.534.3.3考虑徐变的混4.3.4考虑钢筋的混凝土应力场分析:凝土应力场分析:.55.555结论.56参考文献.5”绪论我国的工业设施、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。这些工程结构的设计中裂缝的控制是一项重要指标。我国的结构设计规范中已采用了可靠度理论,而且工程结构使用中的耐久性仍然是正在研究的重要问题之一。工程结构裂缝与结构正常使用安全性的关系是研究最为深入的,也形成了设计规范和其他相关标准;工程结构长期使用的耐久性也逐步得到重视。工程结构的裂缝还影响建筑的舒适性和设施使用功能要求,如高层建筑现浇楼板的裂缝,即使不影响使用的安全性和耐久性,在舒适性方面则让用户难以接受;又如高层建筑地下室外墙裂缝或高速公路隧道裂缝将导致地下水入渗,以致影响设备安全运转。在过去的几十年中,对结构早期的温度应力和裂缝控制理论研究不多。从而导致我国规范、规程乃至各种设计参考书中都很难找到这类结构具体的设计方法。使得设计人员常用弹性理论对温差及混凝土收缩引起的结构内力进行分析,分析结果与荷载作用内力相叠加,进行结构的配筋设计。这种设计一般过于保守,往往造成很大的浪费,同时并不能很好地解决裂缝的控制问题。二十世纪八十年代以来,随着国家经济的发展,人民生活的改善,国民对建筑物功能的要求正在逐步提高。从建筑市场的调研中可以看到,在住宅建筑中钢筋混凝土结构裂缝的出现已成为越来越普遍的现象,而小业主对住宅裂缝的关注程度却越来越高,这就形成了一个相当尖锐的矛盾。影响早期混凝土温度应力和裂缝的因素有很多,本文的工作重点在于温度分布筋在早期钢筋混凝土中的工作机理及各种不同的布筋情况对钢筋混凝土裂缝的影响;徐变对早期钢筋混凝土温度应力和裂缝的影响;同时综合考虑其他影响早期混凝土裂缝的因素,从而为钢筋混凝土设计和施工中如何控制早期温度裂缝提出一些有益的建议,使钢筋混凝土的裂缝能被经济合理的得到控制。混凝土温度应力及裂缝理论课题背景混凝土工程技术在不断取得进步的同时也不可避免地暴露出了一些问题,其中现代混凝土的早期体积稳定性越来越差,由此造成的混凝土早期裂缝问题成为当前工程界函待解决的问题。一些大坝、桥面板在浇筑后2一3天内就出现了贯穿性裂缝,许多现浇梁、板在刚拆除模板甚至浇筑后6一12小时内就出现了不同程度的裂缝。早期裂缝问题在国内外的工程中都相当普遍。自上世纪90年代以来,这一问题越来越受到人们的关注,国内外学者围绕这一问题展开了大量的学术研究与工程实践。然而,迄今混凝土的早期裂缝并未得到很好的控制。早期裂缝问题日趋严重有其必然性。首先,从材料的角度看,现代混凝土自身的组份发生了很大的变化:水灰比越来越小,单位体积水泥用量不断增加,水泥细度不断减小,新型早强水泥的生产应用,包括高效减水剂在内的各种化学外加剂的应用,磨细掺合料,尤其是硅灰的使用。在传统混凝土不断朝着高强、高性能方向发展的同时,这些变化却使得混凝土早期的放热和收缩增加,这是导致现代混凝土早期开裂趋势日益增大的客观因素。其次,从施工工艺的角度看,泵送施工增加了水泥用量、砂率、坍落度,现浇成型又提高了养护的难度,这些都加剧了混凝土早期裂缝的出现;而一些施工单位对现场养护缺乏足够的重视,甚至片面地追求工程进度,这又为早期裂缝的出现增加了主观因素。再次,从结构体型的角度看,混凝土体量越来越大,结构形式日趋复杂,这为混凝土的早期体积稳定性增加了一些不确定因素。最后,从使用环境的角度看,随着工程建设的深入,对混凝土结构本身的要求也在不断提高,如要求结构承受更为严峻的环境(海洋环境、高温环境、干湿交替环境),这更使得控制早期开裂面临更大的挑战。2国内外有关研究的现状2.1国外混凝土结构早期温度应力和裂缝研究现状瑞典律勒欧理工大学的Bernander(1985)研究了混凝土结构水化热致体积变化而引起的早期开裂、约束程度与早期混凝土变形、硬化混凝土过渡态力学性质等重要作用,指出了建立在裂缝危险性标准基础上的传统温差观点的不充分性;推导了混凝土水化热体积变化引起的早期开裂理论,对裂缝进行分类膨胀阶段和收缩阶段裂缝;提出了控制早期裂缝的一般原则和实际措施以及控制大体积混凝土裂缝的特殊措施。Embogr和Bernander(1994)中对早期温度应力和温度裂缝进行了很多实验,包括徐变实验、混凝土热体积自由缩膨实验、松弛实验等。在理论计算模型中,考虑了早期混凝土温度变化、温度传导以及混凝土配筋因素。这篇文献指出,在计算机仿真研究中,要控制早期混凝土结构的温度裂缝和应力,单单考虑早期混凝土结构内的温度分布是不充分的。Elgaaly(1985)对混凝土结构中的梁、墙板和楼板的温度梯度进行了理论研究和实验测试比较,推出了结构影响参数的计算公式。FrnakJvecchoi(1987)对温度作用下的钢筋混凝土框架进行非线性分析,推导了计算公式,给出了计算机程序流程,对于计算机的仿真计算提供了有益的指导。Miarmbe(ll1990)进行了箱式梁的混凝土桥的温度和应力分布分析。这篇文献中提出用非线性模型预测了温度和应力分布,同其他文献中的经验结果比较后,做出了横断面的温度影响和应力重分布曲线。国外对混凝土的收缩和徐变的研究却较为丰富。国外对混凝土的收缩和徐变研究始于20世纪初,1907年美国材料试验学会(AsTM)首先报道了钢筋混凝土梁的徐变资料,到20世纪70年代,经过Z.PBaznat、H.Trost等人的努力,混凝土结构的徐变和收缩计算方法有了很大的突破,实际计算按有限元逐步计算。国内在60年代,对混凝土收缩和徐变性能进行了系统的试验研究,提出了相应的数学计算模式。到80年代,研究人员在Trost一Baznat理论基础上,提出了中值系数法。近年来,研究人员更是对徐变和收缩的数学模型及结构分析理论进行改进工作。2.2国内混凝土结构早期温度应力和裂缝研究现状在现浇混凝土早期裂缝控制的问题上,从20世纪70年代开始,朱伯芳(1976)、王铁梦(1987)等人就开始了大量的温度应力和裂缝控制的实验研究。在理论计算的基础上得出了很多控制温度裂缝和防止裂缝的技术措施。王铁梦(1987)对各种工程裂缝研究进行了系统的分析,提出了温度计算的理论方法和收缩预测公式,提出取消伸缩缝的理论与实践依据,并在工程中得到应用。根据有关工程,陈志明等对不同厚度的大体积钢筋混凝土在高温下混凝土内部温度进行了施工全过程的跟踪和实测,统计整理出混凝土的中心部位的温度升降变化的全部曲线。在大量工程实例的整理统计基础上,考虑各种施工因素,提出了大体积混凝土在高温情况下的最高温度值的经验计算公式。天津大学崔亚强研究了大体积混凝土二维温度场的机理,建立了大体积混凝土的二维温度场的数学模型,并使之计算程序化。YanZhoNuiu(1995)对早期混凝土热力学进行了有限元分析,并考虑了大体积混凝土中的水化热分布和环境温度变化。温度变化是热应力和温度裂缝的起因。每克水泥水化会释放出SOOJ的热量,混凝土的热传导性能低,使得热量难以扩散到环境中。导致大体积构件早期温度升高。混凝土还会与环境发生热交换.如从太阳辐射或热养护中得到热量,温度的变化必然导致应力和变形,甚至引起结构破坏。静定结构的温度变化不会产生支座约束应力,但是,实际结构往往是超静定的。或受外部多余约束,或受内部的限制,尤其对于混凝土成型早期,温度的变化不均匀(在结构不同的位置和不同时刻,温度是不相同的),会导致不同的约束效应。因此,预测温度变化及其分布对分析应力和应变,防止温度裂缝是重要的。与所有化学反应类似,水泥在较高温度下水化较快,特别厚的构件内部温度较高。根据成熟度的概念,构件内核的强度发展就比表面快。因此,现场精确定位不同部位强度的发展对施工组织是有价值的。根据混凝土结构的特点,解决早期混凝土结构裂缝控制问题的关键在于妥善地解决其温度应力问题。而这个温度应力与混凝土的收缩和徐变有关,与结构受到的约束有关。即需要对结构在温度、收缩和徐变共同作用下进行应力分析。但迄今为止国内外对温度应力的研究中,对钢筋的考虑很少,很多试验研究中,仅考虑素混凝土的热性能和力学性能。3本文主要研究内容本文首先结合相关试验对混凝土早期温度应力进行了研究和数值模拟,然后从配筋和徐变方面对早期混凝土裂缝控制问题进行了一些研究工作。高层规范及其它资料均指出,在温度影响较大的部位增加构造筋,称为“温度筋”,配了温度筋是否就解决了温度应力的问题呢?这要从温度筋在混凝土中的作用来分析。温度筋在混凝土中作用:混凝土的膨胀系数为1只10一,而钢筋的膨胀系数为1.2只10一,两者十分接近,这就是说对于一受均匀温差,且截面内无温度梯度的薄壁杆件来说,其中混凝土与钢盘是同时伸长或压缩的,且伸缩值基本相等,这就是说,当混凝土中尚未出现裂缝仍处于弹性阶段时,由于钢筋在混凝土中与混凝土同时收缩,钢筋内是无内力或内力很小的。也就是说,此时钢筋并末起到所期望的受力作用。既然钢筋不起作用,那么规范中为什么还要要求配适当的温度筋呢?这是由于混凝土的不均匀性所决定的。由于混凝土是非均质的,在温度变化时会在其自身的薄弱环节首先开裂,如果没有别的附加措施,则在此开裂部位会形成应力集中,因此裂缝也就随温度的进一步变化而越来越开展,直至破坏。如果此时在混凝土中配有适量的、均匀的钢筋,当混凝土首先从某个薄弱点开裂时,混凝土中的温度应力转而由钢筋承担,这就限制了混凝土裂缝的继续开展,裂缝就会在下一个薄弱点发生。这样以此类推,混凝土中的裂缝就会很分散、均匀,而且每个裂缝的宽度也不会太大,只要将其控制在允许范围内就能满足要求。综上所述,所谓温度钢筋并不能消除或减少构件的温度应力,它在混凝土中完成了温度应力由混凝土向钢筋的转移过程,从本质上来说,温度钢筋使得非均匀的混凝土变得更加均质。徐变是对固体材料在固定荷载作用下随时间产生缓慢变形的现象所进行的描述,而固体材料在固定变形约束下,其内部的应力随时间逐渐变化的现象定义为应力松弛。对这两者的研究是有效预测荷载与变形作用引起的混凝土约束应力水平及开裂效应的关键。早期变形作用下(包括温度变形与收缩变形)的混凝土实际内约束应力受徐变效应影响很大,而早期混凝土徐变及应力松弛效应是个复杂的时程过程,随混凝土水化性能的发展而发展。通常认为徐变可以松弛减低早期混凝土内部由于温度和收缩变形引起的拉应力积累,从而缓解裂缝的产生和发展。然而尚缺乏对这方面的定量研究,理论上也远未达到应用的水平。国外BaZnad对徐变有较为系统的研究,并积累了大量的数据。国内尚缺乏这方面的数据库积累。本文的工作重点在于温度分布筋在早期钢筋混凝土中的工作机理及各种不同的布筋情况对钢筋混凝土裂缝的影响;徐变对早期钢筋混凝土温度应力和裂缝的影响;同时综合考虑其他影响早期混凝土裂缝的因素,从而为钢筋混凝土设计和施工中如何控制早期温度裂缝提出一些有益的建议,使钢筋混凝土的裂缝能被经济合理的得到控制。4裂缝的概念4.1裂缝的基本概念裂缝是固体材料中的某种不连续现象,在学术上属于结构强度理论范畴。混凝土的强度理论大致可以分为四种:唯象理论、统计理论、构造理论、分子理论兰i直、J一。唯象理论是建立在简单的基本试验基础上的,它归纳了大量实验数据以提出基本假定,建立计算模型,并在匀质、弹性、连续假定前提下推导出材料强度的各种计算公式,从而形成材料力学中的一些强度理论,如最大主应力理论、最大变形理论、最大剪应力理论、八面体强度理论等。后期又在弹性假定基础上引进了塑性理论。在设计中,它考虑了混凝土和钢筋混凝土的弹塑性质,并发展了极限状态的强度理论,包括极限强度、极限变形和极限裂缝开展三种极限状态。这些理论直至今天,国际上仍在继续发展。外荷载作用下建筑材料强度问题,应用唯象理论研究得相当充分,解决了大量工程实际问题。唯象理论忽略了混凝土内部的构造组成,如混凝土内部固相、气相、液相的相互作用,导热过程、水分转移、蒸发过程以及各种孔隙、缺陷、内部微裂等不连续现象,计算结果与实际相差较大。后来又发展了统计强度理论,虽仍把材料当作连续的固体,但视其内部存在的缺陷及微裂、裂纹等的分布服从统计规律,从而使强度理论计算结果能接近于实际。构造理论进一步考虑材料的内部构造,考虑到混凝土是由不同材料组成的非匀质体,内部存在着固、液、气体,当温度和湿度变化,而且在外荷载作用下,混凝土内部产生了复杂的物理现象,引起了内部“初始应力”、“初始微裂”、内部扩散及质量转移等时间变化的现象,从而具体补充了唯象理论所不能解释的现象,如相同组分材料的不同施工及养护工艺条件下抗裂强度可差数倍之多,以及内部微裂对宏观强度之显著影响等。如前所述,可概括地说,唯象理论以及近代发展的极限强度理论的最大缺点是忽略了“时间”参数,只知道最终状态而不了解中间全过程。最后,关于材料的分子强度理论,它是应用物理力学方法研究分子间的作用力,求出材料的宏观强度,从而可以按人的意志设计超高强度建筑材料的理论。分子强度理论论上处于探索阶段,远不到工程应用阶段。近代科学关于混凝土强度的亚微观研究以及大量工程实践所提供的经验都说明,结构物的裂缝是不可避免的,裂缝是一种人们可以接受的材料特征,如对建筑物抗裂要求过严,必将付出巨大的经济代价;科学的要求应是将其有害程度控制在允许范围内。4.2混凝土的微观裂缝与宏观裂缝有关混凝土的现代试验研究设备的出现(如各种实体显微镜、X光照相设备、超声仪器、渗透观测仪等),完全证实了在尚未受荷载的混凝土和钢筋混凝土结构中存在肉眼不可见的微观裂缝(简称“微裂”)。微裂有三种:(1)粘着裂缝是指骨料与水泥石的粘结面上的裂缝,主要沿骨料周围出现;(2)水泥石裂缝是指水泥浆中的裂缝,出现在骨料与骨料之间;(3)骨料裂缝直至骨料本身的裂缝。在三种裂缝中,前两种较多,骨料裂缝较少。混凝土的微裂主要指粘着裂缝和水泥石裂4缝。混凝土中微裂的存在,对于混凝土的基本物理力学性质:如弹塑性、徐变、各种强度、变形、泊松比、结构刚度、化学反应等有重要影响。大于等于o.05mm的裂缝称为“宏观裂缝”(肉眼可见裂缝范围一般以此为界),宏观裂缝是微观裂缝扩展的结果。一般工业及民用建筑中,宽度小于o.05mm的裂缝对使用(防水、防腐、承重)都无危险性,故假定具有小于住05mm裂缝的结构为无裂缝结构,所谓不允许裂缝设计,也只能是相对的无大于o.05mm初始裂缝的结构。4.3裂缝产生的主要原因结构物在实际使用过程中承受两大类荷载,有各种外荷载和变形荷载(温度、收缩、不均匀沉陷),统称为广义荷载。其中静荷载和其他荷载,称为第一类荷载;而变形荷载,称为第二类荷载。裂缝的主要成因不外乎有以下三种【:(1)由外荷载(如静、动荷载)的直接应力,即按常规计算的主要应力引起的裂缝。(2)由外荷载作用,结构次应力引起的裂缝。还有些常规不计算的外荷载应力,但实际却引起结构裂缝。(3)由变形变化引起的裂缝(第二类荷载)。结构由温度、收缩和膨胀、不均匀沉降等因素而引起的裂缝。一般地,混凝土收缩变形包括塑性收缩(plasticshrinkage,chemicalshrinkage)、自干燥收缩(sel-fdesificationshrinkage)或自身收缩(uatogenerousshrinkage)、干燥收缩(d卿ingshrinkage)、温度收缩(thermalcontract)和碳化收缩(cabronizedshrinkage)五种主要形式【2。1)塑性收缩:混凝土的收缩发生在塑性阶段,由水泥水化反应决定,也有研究者称之为化学收缩。虽然体积变化量很大,但由于混凝土尚未硬化,一般认为,在施工作业振捣充分时不会影响后期质量。2)自干燥收缩:发生在水泥硬化过程(早前期阶段),源于混凝土内部尚未完全水化的水泥颗粒的继续反应消耗自由水,不与环境介质接触,因此也称为自身收缩。高性能混凝土因水灰比较低,后续水化产生的自收缩量值较高。3)干燥收缩:由于水分的散失而导致的干燥收缩最为常见,发生在早期阶段,是造成收缩裂缝的主要原因。水分散失既包括大气蒸发,也包括地基土壤的吸收。4)温度收缩:温度收缩主要是在混凝土初凝之后,水泥水化热的释出量逐渐减少,导致稍后阶段与外界发生热交换后混凝土中的温度降低而产生的。此外,随外界温度变化的胀缩也是一个主要因素。5)碳化收缩:碳化收缩主要指表层混凝土由于同空气中的CO:发生作用而引起的收缩。一般发生于年代较长、暴露于潮湿环境中的混凝土。关于混凝土早期收缩变形(包括早前期阶段),国内的研究文献有限,大多借鉴国外规范的经验公式和理论。由于收缩机理的复杂性,该领域仍存在大量的问题有待于进一步探讨和深入研究。混凝土早期裂缝的生成,一般不是直接作用(结构荷载和施工荷载)的结果,大部分可归结为温度变形和收缩变形等间接作用的效应。混凝土早期收缩裂缝控制的重点,集中于自干燥收缩和干燥收缩的研究,尤其是现浇墙板厚度较薄,现浇墙板施工完成后形成的暴露面比较的,混凝土失水形成早期收缩裂缝的趋势较大。随着混凝土泵送技术的广泛运用,连续浇筑方式引起的收缩裂缝的控制逐渐成为国内外研究工作的重点之一。上述(2)也是由荷载引起的,只是按常规一般不计算。但应该看到,随着设计技术的不断发展,所谓的“常规”也在不断改进,计算逐渐做到全面合理,故可归到第一类,即荷载引起的裂缝中去。这样,裂缝就分为两大类:荷载引起的裂缝及变形变化引起的裂缝。根据国内外的交叉资料,工程实践中结构物的裂缝属于由变形变化(温度、收缩、不均匀沉陷)引起的约占80%(包括变形变化与荷载共同作用,但以变形变化为主引起的裂缝);属于由荷载引起的约占20%(包括变形变化与荷载共同作用,但以荷载为主引起的裂缝)。5裂缝产生的机理混凝土和钢筋混凝土的裂缝一般均由拉引力引起,如轴拉、弯拉、剪拉,即使是轴向受压荷载的结构物,其内部也存在劈拉应力区,容易引起裂缝。所以就材料本身来说,“抗拉强度不足引起开裂”这种说法不够确切。对于变形变化引起的裂缝问题,仅仅看到抗拉强度是不全面的,更重要的是要看到“材料的抗变形能力”。所谓材料的“极限拉伸”,即是指最终相对拉伸变形。在工业与民用建筑领域中,对抗压强度的研究与应用较为注重,规范、规程都把抗压标号作为控制工程质量的主要指标,然而绝大多数工程的裂缝问题是抗拉强度和极限拉伸问题,但这方面的研究工作太少了。6影响混凝土结构早期裂缝的因素研究混凝土施工期间裂缝的发展,必须明确混凝土材料的成熟规律(水泥水化和养护)、施工环境条件(温度和湿度变化)的影响、结构布置的约束作用、施工组织方式产生的活荷载等。所有这些方面对成型“早期”混凝土结构的综合作用决定裂缝的生成和发展。在混凝土材料科学领域,研究者对于混凝土“早期”的定义较为模糊。文献【2认为,有必要统一定义混凝土的成型发展阶段,并按水泥水化进程把混凝土的成型发展分为四个阶段:(1)塑性阶段:从浇捣完成开始至终凝完成的时段,对普通混凝土一般约为6一1h2的时段。在该段中,混凝土任处于塑性流变阶段,水化反应剧烈,物理化学性质都极不稳定,体积变化强烈。(2)早前期阶段:一般指12h(终凝完成后)至72h的时段。该阶段中,水化进程过半,混凝土内部形成了基本的微观结构体系,强度和刚度发展极为迅速。(3)早期阶段:一般指7h2至god的时段。该段中,水化过程基本结束,混凝土的强度和刚度发展减缓而趋于成熟。(4)成熟阶段:一般指9d0以后的时段。该阶段中仍有极微弱的水化过程继续,混凝土强度和刚度的发展达到稳定状态,属于通常讨论的结构混凝土的普通性质范畴,这方面有大量的研究文献。一般说的“混凝土早期裂缝”,主要是针对早前期阶段和早期阶段这两个主要时段而言。一般认为这类裂缝主要与以下因素直接相关。(1)边界约束:例如某工程设计意图通过加强地下室外墙板根部的防水性能来减少裂缝,而实际却加大了底板连接处对于地下室外墙板的水平约束,反而使得竖向裂缝有增无减。相反,几个工程中外墙板一定范围内“应力释放带”(即后浇带)的设置,成功地控制了裂缝的发展。(2)养护:例如某网球场车库顶板混凝土浇捣后浇水养护一星期,后由于多种原因裸露在外8个多月,裂缝数目达到100多条;而另一平面几何尺寸、混凝土强度、裸露时间等方面都基本近似的地下车库工程中的顶板,却未发现裂缝,主要区别就在于该工程重视顶板混凝土的早期养护。(3)配合比:一般认为,单位体积水泥含量越高,水灰比越高,裂缝问题也越严重;加入粉煤灰或掺加减水剂,可降低早期水化热和减少极限收缩量,将起到缓解拉应力发展的作用。(4)结构尺寸:墙板和楼板厚度的增加,外墙延长米的增加,都将增大裂缝出现的可能性。(5)其他:配筋、振捣方式、外界温度和湿度、拆模时间等也都对裂缝问题产生直接的影响。然而,由于缺乏对于混凝土早期裂缝机理的认识和系统研究,实际工程中往往采用了不合理的结构体系或抗裂结构设计,或者不正确的施工工序、或不充分的养护,从而直接加剧裂缝的生成和发展,使其超出可接受的范围,而带来安全性、实用性等一系列问题,造成人力、物力的极大浪费【3,【4,。由此可见,对于混凝土早期裂缝问题进行系统的理论分析,综合考虑各种影响因素的作用,完善早期裂缝的生成、发展机理试验研究,建立裂缝开展控制分析方法,将成为混凝土结构早期裂缝控制研究的中心任务。6.1配筋对混凝土裂缝的影响关于配筋对混凝土极限拉伸的影响,在国内外是一个有争议的问题。一种观点认为,配筋对混凝土的极限拉伸没有影响;另一种观点认为,配筋可以提高混凝土的极限拉伸。但双方共同的观点是,钢筋能起到控制裂缝扩展,减少裂缝宽度的作用。文献【认为,混凝土材料结构是非均质的,承受拉力作用时,截面中各质点受力是不均匀的,有大量不规则的应力集中点,这些点由于应力首先达到抗拉强度极限,引起了局部塑性变形,如无钢筋,继续受力,便在应力集中处出现裂缝。如进行适当配筋,钢筋将约束混凝土的塑性变形,从而分担混凝土的内应力,推迟混凝土裂缝的出现,亦提高了混凝土极限拉伸。大量工程实践证明了适当配筋能够提高混凝土的极限拉伸,其关键在于“适当”两字。混凝土材料结构是非匀质的,当混凝土梁承受拉力作用时截面中各质点受力不均匀,存在大量不规则的应力集中点引起局部塑性变形。若在梁中适当配筋,钢筋将约束混凝土塑性变形,提高梁整体极限拉伸值,限制裂缝扩展。当梁配筋率一定时,钢筋与混凝土的粘结力随钢筋表面积增加而增长,故裂缝的开展程度随着钢筋根数增加而降低。反映这一关系的有如下经验公式【。n二n,.P、.,n一4t、二0.SRr1+二、x10一”1.1、d式中:饰(at)一配筋后的混凝土极限拉伸(mmm/m);R厂混凝土标准抗裂强度N(m/mZ);d一钢筋直径(cm);p一截面配筋率只100,即p一As/Ac只100,其中AS,A。分别为钢筋和混凝土截面面积。钢筋与混凝土共同工作的基础是两者之间的粘结力。由于钢的弹性模量约为混凝土弹性模量的7一巧倍,所以当混凝土内应力达到抗拉强度而开始开裂时,此时钢筋的应力很小,将不超过10一ZOMPa左右。因此想利用钢筋来防止混凝土裂缝的出现,就不可能达到目的。但是合理布置分布钢筋,可以减轻混凝土的收缩程度,限制裂缝的开展。根据实践经验,在混凝土结构中适当地配置构造钢筋,无论对于温度应力或收缩应力,都能提高结构的抗裂性。但是也有一种观点认为,混凝土配置钢筋不但不能抵抗收缩应力,反而增加了自约束应力。从直观上看,混凝土收缩,钢筋不收缩,因而必然产生收缩应力,但在含钢率较低的情况下,数值是微小的,一般可以忽略不计。当然在某些配筋率较高的构件中,例如配筋率达5一10%的中心受拉构件,收缩应力值尚为可观,计算中应考虑其影响。各种地下现浇钢筋混凝土结构物及设备基础的配筋率为0.巧一0.3%,这种自约束引起的应力可以忽略不计;但是从另一方面看,适当配置构造筋对于混凝土的极限拉伸是有益的,对于薄壁结构更为显著,即便是中体积混凝土结构,虽然从总截面看来配筋率较低,但配置在面层区域,对防止常见的表面裂缝也是有效的。总之,虽然合理配置钢筋增加了一定程度的收缩应力是个缺点,但是它提高极限拉伸和约束裂缝扩展的优点大于缺点,在工程实践中可看出增加构造钢筋对抵抗变形作用的抗裂效果。6.2徐变对混凝土裂缝的影响固体材料在固定荷载长期作用下将产生缓慢的变形,力学术语为蠕变,混凝土科学中习惯地称为徐变;固体材料在固定变形约束下,其内部的应力随时间逐渐变化的现象定义为应力的松弛。两者均为固体材料流变力学研究的主要内容。混凝土徐变的研究一直得到重视,尤其是在处于高应力作用下的构件,或计算预应力构件的预加应力损失等,已经有成熟应用的规范。工程界已经意识到,混凝土的松弛可以减低早期混凝土内部由于温度和收缩变形引起的拉应力积累,从而缓解裂缝的产生和发展。早期徐变的徐变率较大,其变化率也较大,而且早期徐变中也要考虑弹性模量的变化。各种应用于长期徐变的模型如:B3模型、AC工一209(1992)模型、中国建筑科学研究院(86)模型、CEB一F工P(1990)模型等都不适合描述早期的混凝土徐变。早期的温度应力一直在变化,而徐变是和应力历史相关的,所以早期的混凝土徐变计算比较复杂,对早期徐变的研究较少,多数研究都是对长期徐变的研究。2混凝土早期温度场2.1混凝土早期温度场理论混凝土结构浇筑完成后,水泥的水化过程尚在持续中,释放大量的水化热使混凝土内部温度上升,通过与外界的热交换(边界上热量的不断散失、太阳或其他外部热源的辐射补充),其温度逐渐与周边环境的温度趋于平衡。这期间,热量引起温度膨胀(或者温度收缩)变形(实际上为变形作用),若结构受到约束限制则会产生拉应力(间接作用应力),假使这种拉应力超出了该时刻(龄期)混凝土的抗裂强度,受约束结构构件的混凝土必然破坏即不可避免的出现温度裂缝。因此,温度裂缝生成理论的中心问题,在于混凝土内部温度瞬态场的分布、边界条件的限制、温度变化量及其相应的温度变形之间的转化。现浇混凝土构件置于现场环境中,除混凝土水化发展的水化热外,还要受到环境温度变化的影响。环境温度的来源主要是太阳辐射、或施工后加热养护等。此外,重要的还有随混凝土不同而变化,导致相同环境条件所得温度发展结果不同【5,【6,【7,【8,。2.1.1傅立叶法则在瞬态传热条件下,混凝土的热力学平衡方程为傅立叶法则kV(VT)+Q=PcT(2.1)其中:k一传导率,T-温度,Q一内部生热率(体积元素dv内部的热源,在单位时间内和单位体积内发生的热量,这样一个体积元素dv在时间dt内所产生的热量就是Qdvd)tO对于混凝土,所谓内部热源,主要是水泥的水化热作用,在绝热条件下,混凝土的内部生热率为:Q=峋(2.2)式中w一每耐中水泥用量(Kg/m3);q一单位质量水泥在单位时间放出的水化热。从理论上讲,热传导问题就是要在各种边界条件和初始条件的约束下,求解上述一系列热传导微分方程。关于k和pc的特性,应当考虑水泥水化的过程中它们的发展。它们的试验值的确定常常用实验室程序:如GuardedHotPlate或TwoLinearParallelProbemethods,这些特性的分析预测也可用混合物的该特性的有利的平均来得到【9,【。,川。已硬化的混凝土的热导率k强烈依赖于混合物中集料的种类,一般在1.2一3.sw/m【2。在水泥的水化过程中,热导率经历了巨大的变化:有试验证明,在混合后的前几个小时,热导率比已硬化的混凝土高20%一30%;根据RuiZetal.【3,混凝土的热导率根据下式变化k二k。(1.33一0.33。)(2.3)其中:k_代表已硬化的混凝土的热导率,水化度a确定水泥水化的程度(在土木工程应用中,常常用某个时刻t的释放热与总的水化完成时应放的热的比率来计算水化度)【4】。关于混凝土的体积比热pc,在水泥水化的过程中,它有一个相对的常数值,呈现出低于5%最终值的变化【,。因此,对其热特性采用常数是可行的,等于已硬化混凝土的t匕热,典型的为500一117oJ/kgCo【6,【7。919肉喜R份执本.JI闷.子占,t、一丁-