超长地下室板柱结构温度应力分析与抗裂技术研究.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁建股份有限公司科技研究开发计划项目()作者简介:张君蓉()女天津人工程师主要从事复杂结构施工和结构受力分析等研究方面的工作:.引文格式:张君蓉.超长地下室板柱结构温度应力分析与抗裂技术研究.铁道建筑技术():.超长地下室板柱结构温度应力分析与抗裂技术研究张君蓉(中铁建设集团有限公司 北京)摘 要:地下室施工期间即在上部结构及覆土未完成前地下室结构受太阳辐射、气温变化等因素影响 温度作用作为非荷载影响因素易引起混凝土结构产生裂缝 对于超长地下室板柱结构裂缝的产生更易受到温度应力和混凝土收缩影响 本文结合工程实例基于有限元方法分析施工期间混凝土收缩、温度作用对超长地下室板柱结构裂缝产生及发展影响程度 结果表明控制收缩变形和温度应力是预防楼板裂缝的关键超长地下室板柱结构后浇带部位钢筋连接形式对结构裂缝的产生有很大影响 本研究成果对类似工程结构抗裂方案编制、施工指导以及后浇带节点设计等具有现实指导意义关键词:超长地下室 板柱结构 温度应力 后浇带 数值分析 抗裂技术中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言随着城市土地供应日益紧张地下车库、地下商业广场等建设越来越多 地下室单体面积越来越大、长度越长 如何解决超长地下室钢筋混凝土结构裂缝问题成为一项重要研究课题 目前从规范、设计、施工、材料等各领域都对控制裂缝提出了应对方法设置后浇带、采用膨胀混凝土、优化混凝土配合比设计、预应力混凝土等 王铁梦教授在其著作工程结构裂缝控制中全面讲述了混凝土结构裂缝产生的机理、收缩变形及温度应力理论、超长混凝土结构裂缝控制措施并创造性地给出了“抗”与“放”的设计原理约束是引起结构裂缝的因素之一 超长结构温度变化和混凝土收缩引起的约束裂缝是由于结构变形受到约束所致且约束裂缝问题比较常见 超长混凝土水平梁板的收缩变形不仅受到外约束作用同时受铁道建筑技术 ()张君蓉:超长地下室板柱结构温度应力分析与抗裂技术研究到内约束作用比如内部钢筋 超长地下室结构不宜暴露时间过长温差对结构裂缝影响较大 与普通混凝土框架结构不同超长地下室板柱结构存在大面积板、柱结构各构件相互连接、相互约束昼夜温差导致不同构件材料膨胀与收缩且新浇筑混凝土在相邻构件的约束作用阻碍下无法自由胀缩从而产生自应力 对于超长地下室板柱结构而言在上部结构及覆土未完成前这种由于温度改变产生的构件自应力往往对结构的正常使用有很大影响温度应力经常导致该类型结构中混凝土梁板开裂或端柱破坏收缩和温度效应裂缝是超长混凝土结构亟需研究的关键课题 混凝土结构裂缝产生机理在使用过程中结构物承受两大类荷载包括各种外荷载及变形作用(收缩、温度、基础不均匀沉降)统称广义荷载 应特别注意结构因变形作用因素导致的裂缝主要是因为结构有变形的需求当变形需求无法满足时结构将产生应力作用 应力效应与结构刚度有关应力达到一个极限值时结构才会出现裂缝根据国内外工程经验表明混凝土产生裂缝的原因由变形作用为主导致的约占 以上由外荷载直接作用引起的约占 表面温度作用裂缝多是因温差过大导致由于较大的温差收缩混凝土结构表面受到内部混凝土的约束从而产生较大拉应力造成混凝土构件出现裂缝 工程概况南昌某工程共 栋高层住宅和 层地下室总建筑面积为.万 其中地下室面积为.万 地下室为混凝土框架结构体系基础为独立基础顶板为板柱结构 地下室层高为.底板和顶板板厚均为 采用 混凝土抗渗等级为 地下室顶板覆土厚度.现场工况:楼结构封顶地下室车库由西向东分别完成 区 区、区 区顶板施工其中 区、区、区、区顶板和相应底板出现裂缝 该 个施工区地下室顶板模板均在浇筑完成 后拆除不存在早拆现象 温度作用下板柱结构有限元模拟数值分析.计算模型基于 软件对 区顶板(轴/轴)进行施工过程温度作用下超长地下室板柱结构有限元模拟数值分析 根据南昌地区气温变化数据 年 月份最高气温达 进入十月份后晚间最低气温为 因此温度效应取降温 地下室顶板覆土厚度.结构附加恒载为./附加活载消防车道下方取值 /非消防车道下方活载取 /模型采用板单元模拟顶板及托板柱采用梁单元模拟柱底固结见图 其中红线范围的模型为 区顶板四周均为周围结构对 区的约束情况 四周结构与 区间的约束采用弹性连接弹性连接单元的刚度根据板上下部钢筋规格、布置及连接情况确定 本文分别按照后浇带全部钢筋贯通(工况)、后浇带所有钢筋“隔一搭一”(工况)、后浇带板顶钢筋搭接且板底钢筋“隔一搭一”(工况)、钢筋全部搭接(工况)四种工况进行分析研究图 计算模型弹性连接单元刚度计算:(/)(.)(/)(.)()式中:为单元每个节点的弹性连接刚度 为钢筋弹性模量 为钢筋截面面积 为后浇带跨度 为模型中沿后浇带走向的单元长度为板顶筋间距为板顶钢筋直径为板底筋间距为板底钢筋直径本模型中沿后浇带走向的单元长度 取值 由式()计算可知:工况./工况./工况./工况./由图 可知在钢筋的不同连接形式下钢筋的弹性连接单元刚度与钢筋的断开比率基本呈线性关系图 弹性连接刚度变化曲线另外当进行原设计验算时 区四周固结同时选取远离边界的单元作为分析对象铁道建筑技术 ()张君蓉:超长地下室板柱结构温度应力分析与抗裂技术研究.板柱结构原设计验算.抗弯承载力与裂缝验算基本组合下消防车道下方顶板弯矩为每延米 内力分布情况见图 非消防车道下方顶板弯矩为 准永久组合下非消防车道下方顶板弯矩为 内力分布情况见图 图 基本组合下消防车道下方顶板内力图 准永久组合下非消防车道下方顶板内力通过验算顶板的抗弯承载力为 裂缝宽度为.因此原设计顶板抗弯承载力及裂缝宽度满足规范要求.节点抗冲切验算基本组合下结构顶板在消防车道和非消防车道下方柱帽和托板处节点抗冲切承载力应符合下列要求:().()()()./()./()()式中:为柱节点冲切集中反力设计值为柱帽或托板能抵抗的冲切承载力为混凝土轴心抗拉强度设计值为计算截面的周长为集中反力作用面积为矩形时的边长与短边尺寸的比值为截面有效高度为箍筋抗拉强度设计值为与呈冲切破坏锥体斜截面相交全部箍筋截面面积节点抗冲切承载力计算结果见表 从验算结果看板柱结构抗冲切承载力满足规范要求表 基本组合下顶板抗冲切承载力验算位置消防车道下方柱帽处托板处非消防车道下方柱帽处托板处板厚/.覆土/.土容重/(/)柱距/.托板尺寸/.托板厚度/.上柱帽宽/.锥体底线尺寸/.上部恒载标准值/.上部活载标准值/.冲切力设计值/./.冲切承载力/.温度效应分析在较大幅度降温作用下地下室顶板主拉应力均超过结构自身混凝土抗拉强度设计值 不同的后浇带钢筋连接工况下温度效应分析计算结果见表其中 工况下地下室顶板的主拉应力、最大拉力分布情况见图表 各工况顶板计算结果工况最大主拉应力/沿长边方向拉力/(/)最大弯矩/()裂缝宽度/.图 工况下顶板主拉应力及拉应力分布铁道建筑技术 ()张君蓉:超长地下室板柱结构温度应力分析与抗裂技术研究 计算分析可知不同的后浇带钢筋连接方式对顶板裂缝宽度有比较明显的影响 在降温作用下、工况地下室顶板最大主拉应力分别为.、均大于 混凝土抗拉强度设计值(.)和抗拉强度标准值(.)混凝土构件会发生开裂 工况地下室顶板的最大主拉应力为 大于 混凝土的抗拉强度设计值(.)但小于抗拉强度标准值(.)混凝土不会发生开裂由表 分析可知地下室板柱结构混凝土板在降温作用下 工况顶板的最大拉力、每延米拉力值和裂缝宽度均最大后浇带在全部钢筋贯通情况下钢筋对混凝土顶板的收缩变形约束较大对温度效应影响最为敏感易产生温度裂缝相较于 工况 和 工况顶板的最大拉力、每延米拉力值和裂缝宽度有所减小但减小幅度不明显与 工况相比 工况下顶板的最大拉力、每延米拉力值和裂缝宽度分别减小.、降幅明显 后浇带钢筋全部搭接情况下钢筋处于“断开”状态顶板在温度效应下产生的收缩变形受到的约束较小其顶板主拉应力值和裂缝宽度大幅下降 结论虽然裂缝宽度满足规范要求而且不同的后浇带钢筋连接方式下裂缝宽度有所变化但该裂缝是在轴向拉力下产生的贯通型裂缝当板顶有水存在时顶板必然会出现渗水现象 结合现场顶板裂缝的分布情况其裂缝轴向基本垂直于分区的长边方向即裂缝走向与温度作用产生拉力较大的方向垂直()结构在较高温度下浇筑完成后随着温度降低整体必然会呈现收缩趋势当降温达到一定数值时裂缝就会产生()对温度作用下地下室板柱结构抗裂计算分析后浇带约束采用弹性连接模拟弹性连接单元的刚度根据板上下部钢筋连接情况及规格、布置确定 通过板的最大主拉应力、顶板的最大拉力来分析结构的温度效应()温差较大的地区建议结构后浇带处钢筋断开设计成搭接连接方式有利于防止温差较大导致结构出现较大的温度收缩裂缝()地下室混凝土浇筑可采取合理措施降低混凝土入模温度尽可能选择当天温度最低时段进行地下室应尽快完成施工并进行覆土回填减少温差效应产生的不利影响参考文献 袁康.超 长 地 下 室 裂 缝 控 制 技 术 .杭 州:浙 江 大学.陆少连.超长地下室混凝土结构裂缝控制设计.建筑结构():.姚荣王思源邹厚存等.苏中机场航站楼超长混凝土楼盖结构裂缝控制技术.建筑科学():.徐福东.补偿收缩混凝土的工程应用.铁道建筑():.王铁梦.工程结构裂缝控制.北京:中国建筑工业出版社.金建民.防止和减轻超长混凝土结构温度收缩裂缝的设计建议.工业建筑():.刘松柏黄沙吴金国等.超长大面积现浇混凝土地坪裂缝控制技术在贵阳卷烟厂易地搬迁室内地坪施工中的应用“全国混凝土新技术、新标准及工程应用”学术交流会论文集.北京:中国土木工程学会:.李凯丽.超长混凝土框架楼板的抗裂研究.西安:长安大学.邢国雷付艳伟王勇奉.超长混凝土地下室结构裂缝控制措施.武汉大学学报(工学版)():.向建彬.铁路桥梁空心墩温度应力对结构抗裂性影响分析.铁道建筑技术():.张平.超长混凝土结构温度裂缝及控制技术.杭州:浙江大学:.王飙.浅谈混凝土的施工温度与裂缝.铁道建筑技术():.中华人民共和国住房和城乡建设部.混凝土结构设计规范:(年版).北京:中国建筑工业出版社:.(上接第 页)杜喜军.基于 与 指标的某绿色建筑节能性能评价.铁道建筑技术():.王宽.商业建筑和地铁连通道气流节能控制研究.中国新技术新产品():刘通 华佳 柏双友.中国 项目开发现状及存在问题分析研究.环境科学与管理():.吴剑林李怀于震等.某近零能耗办公楼暖通空调系统优化运行分析.建筑科学():.于震李怀袁涛等.基于聚类分析和最小生成树的区域能源站选址及管网优化方法.暖通空调():.王宽 林学友.冰蓄冷系统经济性分析.中国新技术新产品():.过旸陈超胡桂霞等.北京某大型商场冷热源能耗实测分析.暖通空调():.刘涛.基于数值模拟的某铁路客站自然通风节能研究.铁道建筑技术():.铁道建筑技术 ()