劉松柏 柴天紅 施麟蕓

（江西省建筑材料工業(yè)科學(xué)研究設(shè)計(jì)院 江西 南昌）

前言

混凝土開裂可以說是“常發(fā)病”和“多發(fā)病”，經(jīng)常困擾著工程技術(shù)人員?；炷恋目沽研阅?，受混凝土自身的性能特別是變形性能的影響很大，但僅僅憑變形性能是無法確定混凝土是否容易開裂，混凝土早期的力學(xué)性能發(fā)展以及受到約束也是重要因素之一。實(shí)際混凝土在受約束條件下，收縮變形產(chǎn)生彈性拉應(yīng)力，同時(shí)其自身的粘性產(chǎn)生應(yīng)力松弛，兩者相疊加導(dǎo)致混凝土內(nèi)部最終的應(yīng)力分布。因此，約束條件、混凝土變形、彈性模量以及應(yīng)力松弛等的影響，才是決定混凝土是否開裂的綜合因素?；炷猎缙谑湛s變形受約束時(shí)在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成的約束拉應(yīng)力越大，就意味著混凝土受荷載及環(huán)境影響時(shí)抗拉強(qiáng)度的儲備就越小，結(jié)構(gòu)抗開裂的能力越差。因此預(yù)測混凝土早期約束應(yīng)力發(fā)展規(guī)律，建立數(shù)學(xué)模型，可以預(yù)測混凝土的開裂性能。本項(xiàng)目擬將九江藝術(shù)中心為研究對象，得出約束應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度曲線，參照大體混凝土內(nèi)外溫控制模式，對混凝土早期裂縫起到預(yù)警和定量分析作用。

1 方案和解決技術(shù)難題

九江市文化藝術(shù)中心位于九江市主城區(qū)西側(cè)的八里湖新區(qū)，工程建設(shè)單位為九江市群眾藝術(shù)館，設(shè)計(jì)單位為東南大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院，施工單位為九江信華建設(shè)集團(tuán)。設(shè)計(jì)上以一個(gè)連綿起伏的柔和曲線的鋼結(jié)構(gòu)金屬屋面屋頂將三個(gè)部分以及彼此相互聯(lián)系的半室外灰空間統(tǒng)一為一個(gè)整體，造型結(jié)構(gòu)復(fù)雜，奇特美觀。但有幾個(gè)技術(shù)難題：

1）工程原設(shè)計(jì)三條后澆帶。本工程工期緊，后澆帶的留置將大大延長工期，且后澆筑混凝土與兩側(cè)混凝土的結(jié)合能力很弱，往往會成為裂滲的隱患。

2）大劇院和小劇院之間設(shè)置異形鋼板組合樓板，其收縮變形和普通混凝土不一致。

3）2-18至2-20之間為薄板區(qū)，和基坑連接處易拉裂。2-14至2-18區(qū)域樓板也是易開裂區(qū)域。

4）2-7至2-11之間有層高相差1m的過渡區(qū)，收縮變形不一致。

5）工程應(yīng)用混凝土包括清水混凝土、預(yù)應(yīng)力混凝土、鋼管混凝土、補(bǔ)償收縮混凝土等多種，施工難度較大。

工程采用補(bǔ)償收縮混凝土進(jìn)行裂縫控制，并引入最新的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)行裂縫監(jiān)控，其應(yīng)力監(jiān)測設(shè)計(jì)布點(diǎn)如下：

在二層增設(shè)91個(gè)測管，在鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)剪力墻、樓板、承臺應(yīng)力集中處埋設(shè)109個(gè)應(yīng)變計(jì)，其中加強(qiáng)帶應(yīng)力應(yīng)變測試區(qū)1#-6#測管分布在同一條加強(qiáng)帶， 6個(gè)點(diǎn)均布置在板厚度方向1/2位置；10#-12#測管分布在同一條加強(qiáng)帶。3個(gè)點(diǎn)均布置在板厚度方向1/2位置；17#-21#測管分布在同一條加強(qiáng)，19#測管點(diǎn)布置在板厚度主向3/4位置，布置無應(yīng)力計(jì)，其他4點(diǎn)均布置在板厚度方向1/2位置；27#測管，點(diǎn)布置在板厚度方向1/2位置；板應(yīng)力應(yīng)變測試區(qū)包括：異形樓板區(qū)、薄板區(qū)、樓板板，32#測管點(diǎn)布置在板厚度主向3/4位置，布置無應(yīng)力計(jì)；7#-9#，13#-16#，22#-24#，25#-31#，均布置在板厚度方向1/2位置；剪力墻應(yīng)力應(yīng)變測試區(qū)：50#測管點(diǎn)布置在墻高度主向離表面30mm位置，布置無應(yīng)力計(jì)；33#-49#，均布置在墻高度方向1/2位置。

分別測試每天及氣溫變化明顯的應(yīng)力數(shù)據(jù)，并得出混凝土不同齡期應(yīng)力變化曲線，應(yīng)變計(jì)采用的是埋入式振弦應(yīng)變計(jì)。

2 約束應(yīng)力和抗拉強(qiáng)度計(jì)算及裂縫分析

2.1 弦應(yīng)變計(jì)測試原理

假定圖1中的混凝土直桿只受混凝土本身收縮作用，且收縮引起的應(yīng)變是-Δεi0。埋入圖1（a）混凝土桿中的應(yīng)變計(jì)因混凝土收縮而受壓，讀數(shù)為-Δεi0。但由于桿不受約束，因此內(nèi)應(yīng)力為0。相反，在圖1(b)中，混凝土收縮作用受到完全約束，應(yīng)變計(jì)讀數(shù)為0，而桿由于收縮受到約束所產(chǎn)生的拉應(yīng)力卻為E×Δεi0（E為混凝土的彈性模量）。圖1（c）混凝土桿受部分約束，假定測得的應(yīng)變是，同理可知產(chǎn)生的拉應(yīng)力為

圖1 弦應(yīng)變計(jì)測試原理

由此可見，結(jié)構(gòu)中因混凝土本身的收縮(膨脹)受到約束而產(chǎn)生應(yīng)力的部分應(yīng)變是無法由埋入式振弦式應(yīng)變計(jì)直接讀出來的，而應(yīng)變計(jì)讀數(shù)能體現(xiàn)的恰是總收縮（膨脹）應(yīng)變中，未被約束住，因而不產(chǎn)生應(yīng)力的另外一部分。

2.2 自由應(yīng)變應(yīng)力計(jì)算

自由收縮在不受荷載也沒有約束的情況下，混凝土試件中由于環(huán)境溫度、濕度變化或混凝土本身收縮（膨脹）產(chǎn)生的應(yīng)變應(yīng)力。溫度作用產(chǎn)生的收縮σT、自由收縮產(chǎn)生的σf和徐變作用產(chǎn)生的收縮σ0以代數(shù)和的形式表示為：

由于Ci、ai、bi、di為與混凝土彈性模量和齡期等相關(guān)和數(shù)。

所以對應(yīng)徐變收縮ε0混凝土在自由狀態(tài)下和約束狀態(tài)是相等的。

2.3 約束應(yīng)變應(yīng)力計(jì)算

圖2 應(yīng)力隨時(shí)間變化圖

2.4 抗拉強(qiáng)度計(jì)算及裂縫分析

王鐵夢[1]在工程裂縫控制一書中了隨齡期變化的混凝土抗拉強(qiáng)度計(jì)算公式；

Rf（t）=0.8Rf0（lgt）2/3

式中，Rf（t）—不同齡期的混凝土抗拉強(qiáng)度

Rf0—齡期為28d的混凝土抗拉強(qiáng)度

t —為齡期

同樣約束拉應(yīng)力也可以用公式寫出

σ（t）=Aσz0tB

AB為常數(shù)可以用最少二乘法得出，但由于混凝土本身復(fù)雜性和施工、環(huán)境等復(fù)雜性，公式相關(guān)性不是很好。

圖3 31#管混凝土抗拉強(qiáng)度與約束應(yīng)力變化

圖4 20#管混凝土抗拉強(qiáng)度與約束應(yīng)力變化

通過以上公式可以看出混凝土不是一種純粹的彈性材料，嚴(yán)格而言混凝土的應(yīng)力、應(yīng)變呈非線性的。隨齡期變化而變化?；炷量沽涯芰﹄S時(shí)間增長，與此同時(shí)，變形變化引起的應(yīng)力（約束應(yīng)力）亦隨時(shí)間增長，各自的增長規(guī)律以相應(yīng)的曲線描繪，如圖2所示，當(dāng)抗拉強(qiáng)度曲線高于約束應(yīng)力曲線時(shí)，δ1（t）則不會開裂；當(dāng)兩條曲線相交時(shí)，δ2（t）則在相應(yīng)時(shí)刻結(jié)構(gòu)開裂。因此，設(shè)計(jì)和施工以及生產(chǎn)維護(hù)都應(yīng)從施工到生產(chǎn)全過程盡力控制強(qiáng)度曲線高于應(yīng)力曲線。

3 九江藝術(shù)中心實(shí)測約束應(yīng)力－抗拉強(qiáng)度發(fā)展曲線

工程采用FAS-S-NM振弦試混凝土應(yīng)變計(jì)，內(nèi)置溫度傳感器可同時(shí)監(jiān)測安裝位置的溫度，可進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度補(bǔ)償，因此在工程中不再進(jìn)行混凝土升溫測管布置。工程應(yīng)力應(yīng)變測管分五大區(qū)域，從混凝土澆注終凝后開始測試測試由我院專業(yè)技術(shù)人員完成，施工單位全力配合。其典型曲線見圖3和圖4。

在混凝土約束集中的部位埋設(shè)應(yīng)力計(jì)，在線監(jiān)測混凝土抗裂縫和約束應(yīng)力的發(fā)展，可以有效預(yù)測裂縫的產(chǎn)生。九江藝術(shù)中心工程復(fù)雜，工程結(jié)構(gòu)超長但通過提前對裂縫預(yù)警，工程完工后沒有發(fā)現(xiàn)裂縫。

小結(jié)

基于上述分析，很顯然，要減少混凝土的裂縫，唯一有效的方法就是盡可能減少混凝土的內(nèi)應(yīng)力（即減少混凝土受到的約束）。而試圖通過提高混凝土的早期抗拉強(qiáng)度的方法，往往會事倍功半。比如，采用早強(qiáng)水泥，由于其強(qiáng)度的提高遠(yuǎn)遠(yuǎn)根不上其水化熱及其自生所收縮的提高，因此反而產(chǎn)生更多的早期裂縫。

參考混凝土大體積測溫控制模式，在混凝土配合比設(shè)計(jì)把抗拉強(qiáng)度做為一個(gè)關(guān)鍵控制參數(shù)，在裂縫控制過程在應(yīng)力集中部分預(yù)埋應(yīng)力計(jì)和無應(yīng)力計(jì)測出混凝土約束應(yīng)力并作出曲線和抗拉強(qiáng)度曲線比較，以及觀察發(fā)展趨勢。當(dāng)兩者曲線發(fā)展接近時(shí)，應(yīng)采取降低減少約束來降低約束應(yīng)力和提高混凝土抗拉強(qiáng)度，如松開剪力墻模板、加強(qiáng)養(yǎng)護(hù)等措施。

[1] 王鐵夢, 工程結(jié)構(gòu)裂縫控制[M]. 2004, 北京: 中國建筑工業(yè)出版社.

[2] 王國杰，混凝土結(jié)構(gòu)早齡期應(yīng)力相關(guān)應(yīng)變現(xiàn)場監(jiān)測與分析[J].工程力學(xué)，2009，9：61－66。