杨红艳 赵 虎

(中石化胜利建设工程有限公司，山东 东营 257000)

无粘结预应力钢筋混凝土板施工期开裂模拟研究

杨红艳 赵 虎

(中石化胜利建设工程有限公司，山东 东营 257000)

结合某无粘结预应力钢筋混凝土板施工实例，利用midas软件对该板分别在2月份、5月份、8月份、11月份施工时，由水化热、环境温度变化等引起的混凝土板内部应力情况进行了模拟，并依据模拟得到的应力分析了板的开裂情况，最后提出了一些预防钢筋混凝土板产生裂缝的可操作性方法。

预应力混凝土，混凝土板，水化热，裂缝

1 概述

某石油化工研究院建设项目位于辽宁大连旅顺口区科技创新园内，该项目建有地下车库，其车库顶板尺寸长度为254.3 m，宽度31.2 m，板厚为300 mm，南北向设置4个后浇带将板分为5块，分期施工。与普通长度的钢筋混凝土构件或结构相比，温度变化导致的热胀冷缩变形在大跨度混凝土结构中产生的后果更严重，因此，对跨度大的钢筋混凝土结构而言，施工中的温度裂缝是需要注意的问题[1-3]。

对于预应力混凝土构件而言，预应力张拉前产生裂缝是常见而又难以彻底根治的问题，且裂缝的存在不可避免的会引起预应力钢筋的锈蚀，预应力钢筋的锈蚀会影响到该预应力混凝土构件的使用寿命，甚至会导致构件的突然垮塌。本文结合某实际工程52.5 m长度的缓粘结预应力混凝土板构件，利用midas有限元软件对该板分别在2月份、5月份、8月份、11月份进行施工时，由水化热、环境温度变化等引起的混凝土板内部应力情况进行了模拟研究。

2 基于midas的混凝土板施工期开裂模拟

工程所位于的辽宁省大连市旅顺口区位于北半球的暖温带地区，该地区年平均气温10.5 ℃，极端气温最高37.8 ℃。针对该预应力钢筋混凝土板，为比较在不同时间浇筑时，混凝土板内应力变化情况，对分别在2月份(冬季)、5月份(春季)、8月份(夏季)、11月份(秋季)浇筑的无粘结预应力钢筋混凝土板进行了水化热分析。

通过查看当地2月份，5月份，8月份，11月份的气象资料(如图1所示)，结合施工现场环境，将车库顶板上部、板下部大气温度按正弦函数取值。

对于车库顶板上部：2月份，5月份，8月份，11月份昼夜温差分别取为6 ℃，8 ℃，5 ℃，7 ℃，日平均温度分别取为-3 ℃，16 ℃，25 ℃，6 ℃。对于车库顶板下部(考虑到该部位空气流通性等具体情况)：2月份，5月份，8月份，11月份昼夜温差均取为4 ℃，日平均温度分别取为0 ℃，15 ℃，22 ℃，8 ℃。有限元分析中依据现场所使用的C40混凝土的配合比，其材料的热特性取值：比热0.25 kcal/(kg·℃)，比重2 500 kg/m3，热传导率2.3 kcal/(m hr·℃)，对流系数12 kcal/(m2hr·℃)，弹性模量3.25×105kgf/cm2，单位体积水泥含量450 kgf/m3。

对于混凝土材料而言，其具有徐变和收缩特性，对于边界受约束的混凝土结构构件而言，徐变和收缩特性会对构件的受力特性产生影响；在正常养护的条件下，混凝土强度将随龄期的增长而不断发展[4]；据此，在midas中，定义了徐变和收缩函数、混凝土强度随时间的发展规律。在混凝土结构中，对流热换是结构表面传热的一个重要组成部分，由于混凝土结构完全暴露在大气中，太阳辐射和对流交换作用就成为混凝土结构产生裂缝的重要原因，混凝土在凝结硬化过程中因为水泥的化学反应会释放热量，因为混凝土的导热系数低，散热慢，如果胶凝材料水化[4-6]产生的热量不能及时散掉会引起温度裂缝的产生。据此，在midas中，分别定义了大气温度，对流函数和热源函数。

按上述参数设置，取板内5048节点作为分析对象(见图2)，图3，图4分别为2月份，8月份浇筑混凝土时，该混凝土板内5048节点处的应力和容许抗拉强度随时间变化图。

由图3可以看出：节点5048的容许抗拉强度随浇筑时间持续增长，浇筑前期容许抗拉强度增长较快，浇筑160 h后，容许抗拉强度增长逐渐趋于缓慢，而拉应力随浇筑时间发展趋势跳跃性较大，浇筑后的10 h～30 h出现压应力，随后混凝土内部出现拉应力并随浇筑时间变大，在浇筑84 h时，拉应力与容许抗拉强度大小一致，浇筑84 h后，拉应力开始大于容许抗拉强度，这意味着此时极易出现裂缝，应注意该时间点前后的养护，浇筑后84 h～421 h，节点5048处拉应力大于容许抗拉强度，从浇筑421 h～556 h，节点5048处拉应力小于容许抗拉强度，从浇筑556 h～664 h，节点5048处拉应力大于容许抗拉强度，随后拉应力小于容许抗拉强度；考虑到混凝土的离散型，在拉应力大于容许抗拉强度时，甚至两者大小接近时，都容易引起裂缝的产生。裂缝一旦产生，裂缝位置截面成为构件的薄弱面，而裂缝周围部位，因为裂缝的产生引起了应力重新分布，而使周围部位的拉应力得到释放而减小。

由图4可以看出：因为8月份浇筑时，外界环境温度较高，节点5048的容许抗拉强度随浇筑时间持续增长变化趋势相似，浇筑前期容许抗拉强度增长较快，浇筑初期，容许抗拉强度增长逐渐趋于缓慢，拉应力随浇筑时间发展趋势虽有跳跃性，但远不如2月份浇筑的变化大，浇筑后的0 h～60 h会出现压应力，随后混凝土内部出现拉应力并随浇筑时间变大，在浇筑16 h时，拉应力达到最大，但该拉应力仍小于容许抗拉强度，因此，此时浇筑的混凝土一般不会产生裂缝，此后，拉应力变化不大，且一直小于该节点处的容许抗拉强度。

图5给出了2月份，5月份，8月份，11月份浇筑时，节点5048的最大拉应力变化图。可以看出：相同养护条件下，在2月份浇筑时，拉应力值最大，8月份浇筑时，拉应力值最小；因为2月份浇筑时，外部环境温度低，此时混凝土内外温差大，由此引起的内外温度变形差大，所以拉应力大；8月份浇筑时，外部环境温度高，此时混凝土内外温差小，由此引起的内外温度变形相差小，所以拉应力小。

3 结论及建议

通过对模拟结果的分析得到的主要结论如下：混凝土构件浇筑后早期的水化温升和外界的温、湿度对裂缝的开展有很大的影响，前期设计时要充分考虑，施工时既要注意散热，又要适当保温，并防止失水过快。 混凝土早期裂缝的普遍存在，会给结构的正常使用带来不利影响。总的来说，裂缝的产生源于其收缩变形受到约束时产生的拉应力超过其即时抗拉应力，或收缩应变超过了其即时极限延伸值，因此为了对早期裂缝进行控制，应从设计、施工和材料三方面入手，采取措施减少混凝土收缩变形，努力使混凝土的早期抗拉应力和极限延伸值的增长率同步甚至快于其抗压强度和弹性模量的增长率，提高抗裂能力，从而有效地控制早期裂缝的产生及其发展。

[1] 袁 勇.混凝土结构早期裂缝控制[M].北京:科学出版社,2004.

[2] 陈 萌.混凝土结构收缩裂缝的机理分析与控制[D].武汉：武汉理工大学博士学位论文，2006.

[3] 伍朝晖,孙柏林.温度应力对超长结构的影响[J].建筑结构,2002,32(8):28-29.

[4] 王铁梦.工程结构裂缝控制[M].北京:中国建筑工业出版社,1997.

[5] 江怀雁.室外温、湿度波动对现浇钢筋混凝土楼板非使用荷载裂缝影响的试验研究[J].混凝土与水泥制品,2014(1):78-82.

[6] 郑宏宇,苏益声,邓志恒.混合结构房屋现浇楼板裂缝的试验研究与有限元分析[J].建筑结构学报，2007(4):97-103.

On crack simulation of non-bonding prestressed reinforced concrete in construction period

Yang Hongyan Zhao Hu

(SinopecPetroleumConstructionShengliCorporation,Dongying257000,China)

Combining with the construction examples of some non-bonded prestressed reinforced concrete, the paper adopts midas software to simulate the internal stress of the concrete plates caused by the hydration heat and environment temperature changes in February, May, August and November, analyzes the cracks in the stressed analysis in the simulation, and points out some operable method to prevent the cracks on the reinforced concrete plates.

prestressed concrete, concrete plate, hydration heat, crack

1009-6825(2015)32-0089-03

2015-09-06

杨红艳(1975- )，女，工程师； 赵 虎(1974- )，男，高级工程师

TU757

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