高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土防裂的溫度構(gòu)造鋼筋配置的研究

1、高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土溫度構(gòu)造鋼筋配置研究摘要：本文結(jié)合工程實(shí)例，利用有限元ANSYS軟件，對(duì)高層建筑大體積混凝土進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)溫度場(chǎng)及溫度應(yīng)力場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果，討論高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土溫度構(gòu)造鋼筋的配置原則，并最終確定了合理的構(gòu)造鋼筋的配置區(qū)域及加密區(qū)域，為基礎(chǔ)底板的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。1前言在高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，對(duì)于混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和變形計(jì)算，主要考慮由結(jié)構(gòu)上部荷載引起的應(yīng)力和應(yīng)變，鋼筋的數(shù)量及位置均也是按荷載應(yīng)力和應(yīng)變來(lái)配置。對(duì)于在非荷載(溫度)應(yīng)力及應(yīng)變作用下，大體積混凝土的實(shí)際受力情況，設(shè)計(jì)中未考慮，從而出現(xiàn)了應(yīng)力分布情況與鋼筋的配置不均衡的現(xiàn)象，結(jié)果

2、導(dǎo)致大體積混凝土開裂。本文利用ANSYS軟件對(duì)某實(shí)際工程進(jìn)行數(shù)值模擬計(jì)算，根據(jù)計(jì)算所得的溫度應(yīng)力分布結(jié)果，研究討論高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土的溫度構(gòu)造鋼筋的布置問(wèn)題，以期為其設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。2工程實(shí)例模擬計(jì)算（加上工程基本情況）本文以北京某酒店工程為例，主要對(duì)區(qū)的筏板基礎(chǔ)溫度應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值模擬。圖1 II段測(cè)溫點(diǎn)平面布置圖表1 C40混凝土配合比ANSYS熱分析中，混凝土和地基采用SOLID70熱單元，結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)采用SOLID45單元。地基與基礎(chǔ)混凝土的熱工參數(shù)見表2。表2 C40混凝土基礎(chǔ)及地基的熱工參數(shù)2.2溫度場(chǎng)模擬分析首先按照上述計(jì)算的初始條件和邊界條件施加在結(jié)構(gòu)上。然后將熱荷載逐級(jí)加

3、載到模型上，荷載選擇斜坡加載形式。圖2給出了測(cè)點(diǎn)2、點(diǎn)3的上、中、下的溫度計(jì)算結(jié)果。圖3給出了測(cè)點(diǎn)2、點(diǎn)3的中心點(diǎn)的實(shí)際測(cè)量結(jié)果。圖2 測(cè)點(diǎn)2-3溫度計(jì)算結(jié)果圖3 測(cè)點(diǎn)2-3中心點(diǎn)的測(cè)量溫度可以看出，計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)溫的結(jié)果基本吻合，由上表可知：在澆筑第3d左右內(nèi)外溫差出現(xiàn)最大值，差值為11；另外在第15d取消上部保溫材料后，內(nèi)外溫差較大，差值為10。實(shí)際測(cè)量溫度值受外界氣溫等因素影響上下波動(dòng)。2.2地基約束條件下的溫度應(yīng)力模型分析計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5圖4 第3d溫度應(yīng)力云圖圖5 第36d溫度應(yīng)力云圖3溫度構(gòu)造鋼筋配置分析3.1溫度裂縫控制關(guān)鍵點(diǎn)：由圖2圖5可知，高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土溫度裂

4、縫的關(guān)鍵在如下兩個(gè)時(shí)段：內(nèi)外溫差比較大時(shí)的溫度應(yīng)力，溫差過(guò)大會(huì)產(chǎn)生表面裂縫；降溫階段后期時(shí)的溫度應(yīng)力。降溫階段混凝土的收縮受到地基等外部約束而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生拉應(yīng)力，該拉應(yīng)力首先抵消升溫階段產(chǎn)生的壓應(yīng)力，而在降溫階段后期 變成較大的拉應(yīng)力，從而在混凝土內(nèi)部產(chǎn)生貫穿裂縫。3.2溫度裂控的原則3.3截面應(yīng)力結(jié)果分析第3d、15d和第36d點(diǎn)2-3處的縱（X方向）截面應(yīng)力云圖見圖6（a、b、c），橫（Z方向）截面溫度應(yīng)力云圖見圖7（a、b、c）。圖6第3d、15d、36d縱向截面溫度應(yīng)力云圖圖7第3d、15d、36d橫向截面溫度應(yīng)力云圖分析溫度應(yīng)力截面云圖可知：相同縱、橫截面處混凝土上、下表層受到的

5、拉應(yīng)力較大；升溫階段混凝土內(nèi)部為壓應(yīng)力，到降溫階段后期，混凝土內(nèi)部才產(chǎn)生拉應(yīng)力，且中心拉應(yīng)力較??；同一深度（Y值相同）平面，四周拉應(yīng)力大于中心區(qū)拉應(yīng)力。3.4溫度構(gòu)造鋼筋的配置混凝土內(nèi)部拉應(yīng)力較小，不會(huì)導(dǎo)致貫穿裂縫的產(chǎn)生。所以本文建議混凝土內(nèi)部不配置溫度構(gòu)造鋼筋。此外，在大體積混凝土結(jié)構(gòu)中，由于鋼筋和混凝土的熱膨脹系數(shù)差異較大，如果在高溫區(qū)設(shè)置構(gòu)造鋼筋，反而加大了混凝土的拉應(yīng)力。從這一角度來(lái)說(shuō)，鋼筋也不宜配置在混凝土內(nèi)部中心區(qū)域。雖然在降溫階段混凝土內(nèi)部產(chǎn)生了拉應(yīng)力，但與此同時(shí)混凝土的抗拉強(qiáng)度也在不斷提高，在厚度相對(duì)較小的高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土中，產(chǎn)生的拉應(yīng)力一般不會(huì)超過(guò)其抗拉強(qiáng)度。所以溫度

6、構(gòu)造鋼筋應(yīng)設(shè)置在混凝土表層，其目的是防止混凝土產(chǎn)生表面裂縫；中間層不再設(shè)置溫度構(gòu)造鋼筋。當(dāng)基礎(chǔ)底板較厚（2.0m左右）時(shí)，為了提高混凝土的抗裂性能，底板中間層四周應(yīng)力相對(duì)較大的區(qū)域可以設(shè)置構(gòu)造鋼筋。根據(jù)應(yīng)力云圖，本文定義矩形截面基礎(chǔ)底板中間層溫度構(gòu)造鋼筋設(shè)置區(qū)域如圖8。溫度構(gòu)造鋼筋的加密區(qū)應(yīng)是溫度應(yīng)力相對(duì)較大的區(qū)域，由于同一深度平面四周拉應(yīng)力大于中心區(qū)拉應(yīng)力，所以表層溫度構(gòu)造鋼筋應(yīng)在平面四周加密，中心部位可相應(yīng)減少配筋率，從而避免由于應(yīng)力與鋼筋的數(shù)量不均衡現(xiàn)象而導(dǎo)致的混凝土開裂。根據(jù)截面應(yīng)力云圖，本文定義了混凝土基礎(chǔ)表面溫度構(gòu)造鋼筋的加密區(qū)，對(duì)于矩形截面混凝土基礎(chǔ)底板加密范圍如圖9。圖8 中間層溫度構(gòu)造鋼筋配筋范圍 圖9 表層溫度構(gòu)造鋼筋加密區(qū)4結(jié)束語(yǔ)本文利用ANSYS軟件結(jié)合工程實(shí)例，對(duì)高層建筑基礎(chǔ)大體積混凝土施工及養(yǎng)護(hù)時(shí)期的溫