考虑水化热粘弹性应力影响的超长结构设计计算与分析.doc

考虑水化热粘弹性应力影响的超长结构设计计算与分析工程力学ENGINEERINGMECHANICS105文章编号:1000-4750(2007)08-0105-06考虑水化热粘弹性应力影响的超长结构设计计算与分析李东(上海大学土木工程系,上海200072)摘要:超长结构因水化热与目光曝晒的环境影响,在结构的受力构件内产生不均匀的变形,当边界支座受到强烈约束时,可使结构产生随混凝土硬化龄期变化的附加内力.按照设计规范的技术发展水平,计算考虑水化热对结构的影响有很大的难度,当结构形状较复杂时尤为如此.以此为研究重点,采用粘弹性有限元数值分析方法,摸拟了水化热对超长结构的影响,可以得到结构使用前的应力状态和对承载力的影响,直接判断混凝土控制截面处是否存在开裂及发生破坏,在设计和施工中得到控制和避免.关键词:超长钢筋混凝土结构;粘弹性应力;水化热应力;裂缝控制;变形约束中图分类号:TU318;TU528.01文献标识码:ADESIGNCALCULATIoNANDANALySISOFLONGSTRUCTUREHYDRATIoNHEATLIDong(DepartmentofCivilEngineering,ShanghaiUniversity,Shanghai200072,China)Abstracts:Additionalinternalforces,whichvarywithhardeningageofconcrete,areinducedinlongconcretestructuresbyhydrationheatduringconstructionandairtemperaturechangeiftheexpansionandshrinkagearerestrictedatboundaries.It'Sdi伍culttoconsidertheeffectsofcementhydrationheatforstructuremembers.accordingtothepresentdesigncode,especiallywhiletheshapeofstructureiscomplex.Inthispaper,theeffectsstatesandbearinganddamageatcontrolsectionsofconcretememberscanbeanalyzed.Keywords:longreinforcedconcretestructure;viscoelasticstresses;thermalstressofhydration;crackcontrol;restricteddeformation上广电与日本NEC公司合作准备研发生产目前世界上最先进的第五代薄膜液晶显示器,主厂房主要为阵列厂房.生产操作环境为洁净厂房,洁净1级指每m3空气中含lpm粒子数不超过'3xlO个,阵列车间达1000级.建筑要求空旷大开间形式,屋面结构需设计成平面开口单层多孔密肋梁框架结构.阵列厂房结构平面尺寸为:237.6mx135.0m,柱网尺寸10mlOm.按现设计规范,结构应设置永久变形缝,工艺要求不能留有变形缝,结构需按无缝结构进行设计,则结构变成超规范的超长结构.收稿日期:20050110;修改日期:20060521基金项目:上海市教委发展基金资助项目(02AK05)作者简介:李东(1963),男,北京人,副教授,工学博士,主要从事混凝土结构早期裂缝的控制研究(Email:Lidongbibo163,eom)工程力学1长结构的设计与施工结构超长后将产生何种影响呢?混凝土硬化过程中,水化所产生的水化热问题,在施工的初期表现相当突出;其次结构形成整体后,受到日光曝洒雨水干缩等环境的季节性影响,结构水平方向表热影响产生变形,当变形受到约束后即在体内产生0Ir,#约束应力.两者相比水化热的影响则更复杂一些,因为其量值变化随机,日照气温的影响较容易测得,本文的重点将讨论水化热的影响.本工程中房屋的屋面结构采用井字梁形式,竖向承重为柱构件,形成大跨超长框架结构,沿轴线方向的框架主梁截面尺寸为700minx1lOOmm,井字次梁为450mmx800mm,柱截面尺寸为700mmx700mm.Il-iU_ll'628一'415一妇妇口妇L箍确i暑锄_I一5/.!墨1II1ll'1-12-2主梁株=_,二一亏.:_='/ILf豳,/=ry-厂/,一l1地uuu旦旦旦垦旦垦:08O0图1屋面局部结构柱网与主次梁剖面Partialviewofbeamsandcolumnsandthereinforcementsinprimaryandsecondarybeams超长结构在施工中所承担的风险和难度更大,设计采用后浇带方案,施工中将出现人为的裂缝,影响整体工程的总进度,经过分析施工方决定采用一次性连续采用跳仓浇筑方式,由于施工方改变了设计实现结构的意图,在技术责任上将承担了巨大的风险,如何了解掌握该风险所出现的问题呢?根据粘弹性有限元分析程序MASSIVEt,对屋面结施工在结构约束释放变形中所采用的措施对比.表1释放变形方法对比TableIComparisonOilthedeformationreleasingmemOds2有限单元的建模及参数取值将整体屋面结构划分成由六面体单元所组成的平面结构,单元模型均采用8节点空间3D实体等参元,因为计算对象为整体结构,与杆系有限元相比其计算工作量巨大,分别摸拟计算了整体结构的水化热温度和应力.水化热与应力计算时取模板作为边界,与模板相接触的混凝土边界处水化热与应力是随时间变工程力学的滑动连接,非完全的固定约束状态,而微小滑动的边界是由两不同材料接触处的摩阻力决定的4,大小取决于边界处不同材料的粘接程度,若两种材料为新旧混凝土则摩阻力很大,接近于完全约束不动状态;当两种材料为钢模板和新浇混凝土时,则气接触的上表面处边界应根据实际的养护条件确定,在本数值模拟计算中为两层塑料薄膜与一层棉毡层.2-3混凝土配合比混凝土设计强度等级为C30,考虑粉煤灰的胶凝作用(约为25%30%)其等效水泥用量为295kg/m3,则水胶比为0.58,粉煤灰掺量为水泥用量的26%,掺量超过20%30%时混凝土的龄期强低热的矿渣硅酸盐水泥减少水化热的影响,早期强度增长缓慢,接近龄期时强度才逐渐增加,工期难满足施工的进度.外加剂设计方原采用膨胀混凝土方式进行施工,由于微膨胀的性能受温湿环境影响较大,人为控制难度大,则后期应产生的微膨胀效果有可能变成收缩【oJ,因此微膨胀的使用对施工的环境要求很高,一般的施工条件很难达到该要求.2所示,拌合物的入模温度,环境气温等取值相对较高.表中水泥水化热发热量为28d累积总量.表2计算主要参数Table3Maincalculationparameters粘弹性数值摸拟分析理论混凝土凝结硬化过程具有应力松弛的粘弹性性质,其本构关系,应为:f(f)=(f)一(f)'Jx(t,f)'(f)?dr(1)式中:(f)为粘弹性应力场,(f)为弹性应力场,为荷载(这里指水化热温度,干缩等)作用时间.)为随时间变化的弹性模量,当为各向同性时,(ti+1)=取cO)=E(f)即E)=eo.(1一.e_0?.),式中eox(t,f)=一c(f,f),徐变度c(f,f)=(f).1一e(卜',f徐变度函数9'10J的表达方式是难点,常采用唯象理论的方法进行描述,材料在细观方面的变化用一般的数学模型很难表达【11,12,水化热可间接影响本构关系,因为水化所产生的温度可直接影响拌合物的强度及模量的增长.式(1)经离散化得到水化热全量应力其忘却型递推公式:1+let;+1)?(+l,_+1)?式中=一1?e一+()?At,=(百)+?(百).根据物体热传导方程及伽辽金(r1a且ePKHH)(2)变分,得到混凝土离散后的变分方程:02T+_+_02To2r_+OT(3)式中T为水化热温度,t为时间,Y,z分别为坐工程力学标,M为形函数,a为混凝土导温系数,Q为离散法及纽马克(Newmark)法得到混凝土水化热的增量矩阵方程(+(F一,)=)fAr+aT卜f(4)3-3水化热全量应力场计算由直接刚度法得(+)=母)(5)式中,=CxEkr,尼r=TdS,噼)=TD唧)dv式中r为温度"荷载"列阵,G结构与地基的磨文献4中:一?U的结果,推导出滑动的U边界为,=-Cxl九4数值计算结果分析施工的养护周期为7d,如图2与井字次梁相连接处水化热较高,显然水化热的影响不能忽略,水化热温升值高达近1O,水化热发生突变相差3的弹性应力为b-=E.=3.ON,mm,早己超过混凝土的抗拉强度设计值1.43N,mm.图3为水化热应力随时间变过程,水化热应力与水化热温度变化趋势不一致,水化热在2d-3d之34.?一外侧顶面处1j32-k桐II在而6h;啦6掣8厂一隧;鸟30'鞋喜28-26.时间,d(a)主梁截面内外侧水化热随时问变化全过程曲线时间/d(b)沿主梁跨度水化热随时问变化全过程曲线图2水化热温度随时间变化全过程曲线wholeage内就达到峰值,应力在10dM4d时间才能达到峰值,期混凝土凝结时的升温过程形成较大的压应力,其值约为一2.2N/ram2一2.4N,mm,在许多相关文献中仅计算降温段的水化热应力,与实际不符且计算值偏大.降温时压应力由压转拉,因混凝土硬化过程中的徐变松弛性质,拉应力出现时刻较水化热降温发生的时刻晚,约在28d左右出现,其值逐渐增大,在60d左右趋于平缓,其值平均约为1.ON,mm1.30N/mm2左右,接近混凝土的抗拉强度设计值凝土的水化热应力应滞后水化热温度变化,采用应力控制可真实了解混凝土因凝结所产生的"残余"应力,而仅采用温度控制无法了解因水化热可能产生的裂缝.根据文献4,8的理论,对比了本文的计算结果.本文的水化热温度沿截面高度和梁跨是3D变化要复.18.19梁长方向(a)主梁外侧水化热早期应力沿梁跨度方向分布氆工程力学要复杂曩梁长方向fo)主梁内侧水化热早期应力沿梁跨度方向分布图3水化热应力沿主梁跨度方向的分布spandirection的,文献4,8只能指定而不能计算温度值,且为一维杆系线性变化,在对比时采用了本文截面平均水化热温度进行计算,其计算出的平均最终受拉应力0.65N/ram2,显然计算值偏小,可以忽略,不能正确地考虑水化热的问题.图4为水化热内力对主梁受力构件承载力的影力主要为轴向力为主,计算中分别按偏压(早期)及偏拉(后期)对构件控制截面进行了计算,其可靠富裕度=截面抗力/荷载效应计算.总体数据显示:跨中控制截面受影响幅度较小,而支座受影响幅度较大,表4为水化热影响结果.10075j】50枢-R250.2510075j蒸50枢250.25时间/d(a)可靠富裕度(模量按指数曲线增长【)时间/dfo)可靠富裕度(模量按对数曲线增长【)图4主梁构件承载力的可靠富裕度表4主梁水化热影响Table4Influencesofhydrationheatonprimarybeams他伯幻l10工程力学5结论(1)通过数值计算分析,可了解超长框架结构中的承重主梁内部控制截面处因混凝土凝结水化徐变的影响,预计超长结构中的主要受力承重构件在设计和施工中可能出现混凝土表面开裂或出现行计算,在混凝土拌合物的强度变化增长过程中,水化热发生的过程与拌合物浆体硬化过程不一致,其产生的膨胀收缩变形是滞后的.(2)超长结构中的主要受力承重大梁,根据计算分析的结果,当水化热使全截面所产生的应力性质是一致时,即全截面受压或受拉,则早期受压的状况无需考虑,而对后期的受拉状态应着重考虑承载能力,此时的混凝土的强度应取龄期强度,需注意的是应按偏心(小偏压或小偏拉)受力构件进行计算,与梁不承受轴向力的方式完全不同.(3)水化热的应力与荷载作用所产生的效应相比相对较小,其影响因素的考虑尚有很多方面还需考虑,如钢筋存在的影响,施工养护措施的变化,边界约束条件改变及拌合物配合比的不同等因素,影响程度的大小还需要更进一步的研究.参考文献:1】李东.大体积混凝土裂缝控制D】.西安:西安建筑科技大学,1995.LiDong.ThecrackcontrolofmassiveconcrestructureD】.Xi'an:Xi'anUniversityofArchitecture&Technology,1995.(inChinese)2】李东.西安某公路立交桥混凝土桥台裂缝施工分析J.建筑结构,2002,32(3):63-67.LiDong.AnalysisforconcrecrackinabutmentataviaductinXi'anJ.BeijingBuildingStructure,2002,32(3):63-67.(inChinese)数值分析J.西安公路交通大学,1998,18(4):3】-34.concrestructuresubjectedtodeformationalloadJ.JournalofXi'anHighwayandTransportationUniversity,1998,18(4):31-34.(inChinese)4】王铁梦.工程结构裂缝控制口vI.北京:中国建筑工业出版社,1997.M】.Beijing:ChinaArchitecture&BuildingPress,1997.(inChinese)5】李东.大体积混凝土配合比中粉煤灰最优掺量J.西安建筑科技大学,1998,18(4):31-34.ashofcoalinmassconcretemixtureratioJ.JournalofXi'anUniversityofArchicture&Technology,1998.18(4):31-34.(inChinese)6】李东.地下工程大体积混凝土施工监测(一)J.建筑结构,1998,25(12):13-14.ofsquareundergroundstructure(I)J.BeijingBuildingStructure,1998,25(12):13-14.(inChinese)7】傅作新.工程徐变力学口.北京:水利电力出版社,1985.FuZuoxin.EngineeringcreepmechanicsM】.Beijing:ChinaWaterConservancyandHydropowerPress,1985.(inChinese)8】朱伯芳.大体积混凝土温度应力与温度控制M】.北京:中国电力出版社,1999.concreteM】.Beijing:ChinaElectricPowerPress,1999.(inChinese)9】ChristensenRM.TheoryofviscoelastisityM】.AcademicPress,1982.concretestructureM】.Berlin:Springer-Verlag,1986.11】楼志文.损伤力学基础口.西安:西安交通大学出版社,1991.LouZhiwen.ThefoundationofdamagemeehanicsM】.Xi'an:Xi'anJiaotongUniversityPress,1991.(inChinese)12】LemaitreJ.ComputermethodsinapplicationJ.Mech.andEngng.,1985,51(5):31-49.