约束条件对混凝土结构浇筑施工影响分析

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约束条件对混凝土结构浇筑施工影响分析

朱晓璇*徐 伟

（同济大学建筑工程系，上海200092）

摘 要：大面积的现浇钢筋混凝土楼面结构容易在浇筑过程中由于水泥水化热和外部约束条件的影响而产生裂缝。可以从合理选择混凝土材料和改变其浇筑过程中的约束条件两个方面来控制现浇钢筋混凝土楼面结构浇筑过程中裂缝的产生。着眼于后者，分别从理论分析和有限元模型模拟计算两个方面，比较两种不同的浇筑方案下，不同约束条件对于大面积现浇钢筋混凝土楼面结构浇筑过程中产生的内力和变形的影响。

关键词：现浇钢筋混凝土楼板，浇筑方案，约束条件，裂缝，有限元

0 引 言

大体积混凝土通常是指混凝土结构实体最小尺寸不小于1 m的大体量混凝土，或预计会因为水泥水化热导致有害裂缝产生的混凝土。大体积混凝土的裂缝问题是大体积混凝土施工过程中的主要问题，大体积混凝土在浇筑过程中产生的主要是以下两种裂缝［1］：①温度裂缝，温度裂缝是由于混凝土中的水泥在水化时放出热量，造成混凝土内外形成温度差，在混凝土自身和外界的约束条件下，混凝土内部产生温度应力，当产生的拉应力大于混凝土的抗拉强度时，混凝土中即产生裂缝；②收缩裂缝，收缩裂缝是在混凝土拌合物硬化后体积收缩时受到约束影响产生收缩应力，当收缩应力大于混凝土的抗拉强度时所产生的裂缝。大量的工程事故处理和调查结果显示［2］，大体积混凝土在浇筑过程中产生的裂缝80%～90%都是由于水泥水化热引起的温度裂缝。控制温度裂缝的产生和数量是控制大体积混凝土裂缝工作的关键内容。

温度裂缝的产生主要是两方面的因素造成的［3］，第一，水泥水化时放出的造成混凝土内外温差的水化热是温度裂缝产生的根本原因；第二，混凝土自身外部对内部的约束以及边界条件对混凝土的约束是温度裂缝产生的辅助原因［4］。为了减少混凝土在浇筑过程中产生的温度裂缝，一方面可以通过控制混凝土原材料（例如采用低水化热的水泥、降低水灰比、在混凝土中适当掺入活性材料减小水泥用量、适当使用外加剂等）减小水化热总量，从而控制温度裂缝的产生和数量；另一方面是通过改进施工技术或施工方法改变混凝土浇筑过程中的约束条件，使得混凝土在浇筑过程中受到的约束尽可能“弱”一些，从而减小混凝土内部的温度应力，从而控制温度裂缝的产生和数量［5］。以上两种方法都可以有效控制大体积混凝土在浇筑过程中温度裂缝的产生，虽然第一种方法控制的是温度裂缝产生的本质，但是其主要是通过材料进行裂缝控制的，然而混凝土浇筑过程中各种材料的性质可能相互影响，而且通过改变材料用量进行裂缝控制时，可能会造成混凝土其他性质的改变，因此这种方法在施工过程中难以控制［6］。相比之下，第二种方法对混凝土本身不做任何改变，通过在施工过程中改变施工过程或浇筑工艺来控制混凝土内的温度应力，达到控制温度裂缝的目的，这种方法不会对混凝土的力学性质造成不良影响，并且容易在实际施工过程中实施［7］。因此，本文将着眼于此，通过理论和有限元模型两个方面，探究约束条件对混凝土浇筑期间的温度应力和变形性能的影响。由于混凝土自身的内约束作用随混凝土在硬化过程中刚度的增加而逐渐提高，因此，内约束作用难以进行量化考虑，若无特别说明，下文中所提到的约束均是指外界边界条件对混凝土的约束。

1 理论分析

王铁梦先生将混凝土浇筑过程中外部的约束分为三类，分别为无约束（浇筑的混凝土为自由体）、弹性约束和全约束三种，分别用自由度系数和约束度系数来衡量不同约束的约束程度［8］。其中，无约束条件下，浇筑的混凝土为自由体，若不计混凝土自身的内部约束，混凝土在水化热温度作用下可以自由变形，其自由度为100%，自由度系数为1.0，约束系数为0，约束应力为0；在弹性约束条件下，浇筑的混凝土收到边界条件的弹性约束，其自由度系数在0～1.0之间，约束系数也在0～1.0之间，约束应力与约束的“强弱程度”和约束的长度有关；在全约束条件下，浇筑的混凝土在边界条件的约束下完全不能产生任何变形，其自由度系数为0，约束系数为1.0，产生的约束应力最大，为σmax＝－EαT。

无约束和全约束的边界条件是一种理想的边界条件，在实际的施工过程中不可能达到，因此，下面就弹性约束的边界条件进行详细介绍。

在弹性连续约束条件下，混凝土浇筑过程中产生的最大约束应力按式（1）计算［9-10］：

或按时间增量按式（2）计算：

其中，T包含水化热、气温差及收缩当量温差，同号相加异号取差；H（t，f）为松弛系数，可按照“工程结构裂缝控制”［11］中的相关规定进行取值；ch为双曲余弦函数；E为混凝土弹性模量；α为混凝土膨胀系数；Cx为水平约束系数；H为均拉层厚度；L为平均裂缝间距，可按式（3）计算：

其中，arcch为反双曲余弦函数；Xp为混凝土的极限拉伸，级配不良养护不佳时，取0.5×10－4～0.8×10－4；级配正常，一般养护时，取1×10－4～1.5×10－4；级配良好，养护优良时，取2×10－4，配筋合理可以提高拉伸20%～40%，构造配筋宜为0.3%～0.5%［12］。一般情况下，Xp≤｜αT｜，若Xp＞｜αT｜，取Xp＝｜αT｜，L→∞。

可利用计算得到的平均裂缝间距按下式计算平均裂缝宽度［13］：

其中，J为裂缝宽度经验系数，其取值与钢筋混凝土楼板的配筋率有关，如表1所示。

表1 裂缝宽度经验系数取值
Table 1 Crack w idth coefficient

配筋率0～0.2 0.3～0.4 0.5～0.6 0.7～0.8 0.8－1 J 0.3 0.24 0.18 0.12 0.06

从上述公式中可以看出，减小混凝土浇筑过程中的温差变化、减小边界条件对于混凝土的约束程度都可以减小混凝土在浇筑过程中由于温度作用而产生的温度应力，增大混凝土的裂缝间距，减小裂缝宽度，对于控制大体积混凝土的裂缝问题具有积极作用。

2 有限元模型分析

在实际施工中最常见的大体积混凝土浇筑主要有基础底板的浇筑和大面积的楼板浇筑。

实际工程中现浇钢筋混凝土楼面结构的浇筑存在两种方案。一种是传统的先浇筑框架柱，经过一段时间差后，再浇筑钢筋混凝土楼板；另一种目前在实际施工中较为流行的浇筑方案是将框架柱和钢筋混凝土楼板同时浇筑。在实际工程的实践中，采用第二种浇筑方案浇筑的钢筋混凝土楼板的浇筑质量较采用第一种浇筑方案的钢筋混凝土楼板的质量更好。造成这两种浇筑方案下现浇钢筋混凝土楼板浇筑质量不同的原因主要是上述两种浇筑方案下，楼板在进行浇筑时，外部约束条件有所不同。

为了从理论分析角度比较这两种不同浇筑方案下，钢筋混凝土楼板由于温度作用产生的内力和变形，采用有限元软件ABAQUS，分别模拟上述两种浇筑方案，比较不同浇筑方案下，混凝土楼板在温度作用下产生的内力及变形。

模型平面布置如图1所示，各个构件的尺寸见表2。

图1 框架平面尺寸（单位：mm）
Fig.1 Frame plane size（Unit：mm）

表2 各构件截面尺寸
Table 2 Components dimensions

构件名称 截面尺寸／（mm×mm） 跨度／m Z 400×400 3.5 ZL 300×600 6 ZL2 300×600 6.1 6 CL 200×400 6

框架的有限元模型和模型的网格划分分别如图2所示。混凝土硬化过程中产生的收缩主要受温度作用的影响，为排除养护过程由于养护条件不佳而造成的混凝土额外收缩，模型中考虑混凝土按照标准养护条件进行养护，对模型中的梁板结构施加温度荷载模拟在梁板结构浇筑前先浇筑柱的方案；对整个模型施加温度荷载，模拟梁板结构和柱子共同浇筑的浇筑方案。对结构施加的温度荷载的温度变化为：△T＝20℃。两种不同的浇筑方案下，楼板所承受的外部约束有所不同，在第一种浇筑方案下，虽然先浇筑的框架柱并没有完全硬化，但楼板结构直接受到框架柱顶的约束，因此，楼板结构受到的荷载较大。采用第二种浇筑方案时，钢筋混凝土楼面结构和框架柱一起浇筑，楼面结构通过框架柱受到柱脚的约束，因此，相比于第一种浇筑方案，楼板结构受到的外部约束较小。

图2 框架的有限元模型
Fig.2 The FEmodel of the frame

两种不同浇筑方案下，框架结构在温度荷载下产生的内力和变形如图3所示。

由图3（a）、图3（b）可以看出，采用方案一进行浇筑时，梁板结构直接受到下部已经浇筑好的柱子的约束，因此，梁板结构在温度作用下产生的总体变形比较小，梁板结构产生的总位移由梁板结构中间向外部逐渐增大，在纵向端部处，产生的最大位移为3.10 mm。梁板结构内部产生的温度应力比较均匀，基本为7.43 kPa左右，但是在梁板结构与柱子相接触的位置存在应力集中的现象，最大应力为0.9～1.0 MPa。柱顶产生的位移由中柱向边柱逐渐增加，中柱柱顶产生的总位移约为0.5 mm左右，边柱柱顶产生的最大位移为3.10 mm。在柱顶位移的作用下，柱产生x向的弯曲，柱脚内侧产生y向2.99 MPa的拉应力，柱脚外侧产生y向3.08 MPa的压应力。边柱柱脚产生的最大等效Mises应力为2.98 MPa。

由图3（c）、图3（d）可以看出，采用方案二进行浇筑时，梁板结构与柱同时浇筑升温，因此，梁板结构受到的约束较小，梁板结构在温度荷载作用下产生的位移较大。与采用方案一进行浇筑相比，采用方案二进行浇筑时，梁板结构中间部位的位移增加1 mm左右，纵向边部位移增加0.16 mm左右。柱顶位移增加0.16 mm左右。采用第二种浇筑方案时，梁板结构内部产生的应力比较均匀为6.79 kPa，相比于第一种浇筑方案减小约9.5%，且在梁柱接触位置处不存在应力集中现象。采用第二种浇筑方案时，梁板结构和框架柱整体一起升温，边柱和中柱内产生的等效Mises应力相差不大，柱内产生的最大等效Mises应力为4.08 MPa，相比于第一种方案增大尽37%左右。在温度作用下，框架柱产生x向弯曲，边柱产生的弯曲最大，在柱脚柱内侧产生3.05 MPa拉应力，柱外侧产生3.13 MPa压应力；相比于第一种浇筑方案，采用第二种浇筑方案进行框架混凝土浇筑时，柱脚承受的弯曲应力有所增大，但增幅很小，仅为2%左右。

图3 不同浇筑方案框架产生的内力及变形
Fig.3 Stress and deformation diagram for different cast scheme

对比两种浇筑方案，第一种浇筑方案的梁板结构中温度应力大，且在与柱接触位置存在应力集中，因此梁板结构中产生裂缝的可能性较大；第二种浇筑方案的梁板结构中温度应力小，并且不存在应力集中现象，对于梁板结构混凝土浇筑过程中的裂缝控制具有积极作用，但是柱脚处的应力较第一种方案较大，然而，柱在使用过程中以受压受力为主，即使在浇筑时产生了裂缝，后期裂缝也不会扩展，因此相比于第一种浇筑方案，第二种浇筑方案更加有利于混凝土浇筑过程中的裂缝控制。

3 结 论

对于现浇钢筋混凝土楼板，当其平面尺寸较大时，其在浇筑过程中的收缩变形特点有些特征类似于大体积厚板，因此其在浇筑过程中产生裂缝是一个不可避免的过程，在实际施工中，为了保证建筑的安全性、适用性和耐久性，可以从原材料和施工工艺两方面进行混凝土浇筑的裂缝控制，从混凝土浇筑过程中混凝土产生的温度应力的理论公式和有限元模型模拟结果都可以看出，在浇筑过程中，选择适合的浇筑方案，减小外界对于浇筑混凝土的约束作用可以有效减小浇筑过程中混凝土产生的应力，从而达到控制裂缝的作用。

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Analysis on the Influence of Restraint Condition on Concrete Construction

ZHU Xiaoxuan*XUWei
（Department of Structural Engineering，Tongji University，Shanghai200092，China）

Abstract：It is easy for mass concrete to produce cracks in the process of pouring due to the influence of cement hydration heat and external constraint conditions.Two differentmethods which are choosing proper materials and improving constraint conditions respectively can help to decrease the amount of the cracks.The present paper used FEM to simulate two kinds of casting scheme for a certain frame.A comparison of stress and deformation between these two casting schemes wasmade at the end of the paper.

Keywords：mass concrete，cast scheme，constraint conditions，hydration heat，cracks，FEM

收稿日期：2016－01－14

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