合肥火車站地下超長混凝土頂板收縮作用與監(jiān)測分析

高明月, 郭海浩, 張宜柳, 葛 珊, 周 安

(1.合肥工業(yè)大學 土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009; 2.中鐵二十四局集團安徽工程有限公司,安徽 合肥 230011)

混凝土的收縮是指混凝土初期或硬化過程中出現(xiàn)的體積縮小的現(xiàn)象。一般可分為干燥收縮、化學收縮、塑性收縮、溫度收縮、碳化收縮和自收縮等。近年來,商品混凝土被廣泛應用,其組分比以往普通混凝土發(fā)生了較大變化,混凝土結(jié)構的收縮變形明顯增大[1]。對于超長結(jié)構,混凝土收縮是導致其開裂的主要原因之一。

隨著城市地下空間的開發(fā)利用,諸如地鐵站、高鐵站、商業(yè)綜合體等結(jié)構廣泛存在。從抗裂防滲和經(jīng)濟等角度出發(fā),在設計階段,都必須確定混凝土的收縮應變和收縮規(guī)律,而混凝土的收縮是與地域環(huán)境密切相關的物理量,難以準確把握,因此本文的研究擬為合肥地區(qū)類似結(jié)構的設計施工提供參考依據(jù)。

合肥火車站地下廣場長291.7 m,寬168 m,現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構,采用板柱體系和框架體系相結(jié)合,未設變形縫,是典型的地下超長混凝土結(jié)構,配置無黏結(jié)預應力筋補充收縮,平面布置及剖面如圖1所示。

圖1 平面布置及剖面

1 收縮當量溫差

1.1 收縮模型

國內(nèi)外預測混凝土收縮隨時間發(fā)展的模型有:任意時刻混凝土收縮計算模型[2];CEB-FIP MC10[3];歐洲規(guī)范EN 1992-2提供的方法,簡稱為EN 1992-2[4];GL2000[5];ACI 209.2R-14[6]及B3[7]等。我國《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規(guī)范》(JTG 3362—2018)中預測混凝土收縮應變的計算公式采用的是CEB-FIP MC10中的公式;《混凝土結(jié)構設計規(guī)范》(GB 50010—2010)采用的是歐洲規(guī)范EN 1992-2中有關混凝土收縮應變的計算公式。由于各個收縮模型考慮的因素各不相同,因此混凝土的收縮總應變及收縮應變隨時間的發(fā)展關系上也會不同。各個收縮模型所考慮的因素見表1所列。

各個收縮模型在相同條件下,60 d的收縮率隨構件體表比V/S(體積與表面積之比)的變化趨勢如圖2所示。從圖2可以看出,除文獻[2]模型認為60 d的收縮率為定值45%外,其他5個模型60 d的收縮率均隨著構件體表比的增大而減小;模型CEB-FIP MC10[3]和GL2000[5]的曲線接近一致。

表1 各收縮模型考慮的因素

注:文獻[2]收縮模型考慮的因素還包括水泥細度、骨料種類、水灰比、水泥漿量、配筋率、模量比、配筋率及振搗方法等。

圖2 60 d收縮率隨構件體表比的變化

1.2 收縮當量溫差

在分析超長混凝土結(jié)構時,工程中常用做法是將由混凝土的收縮量引起的效應用溫差的形式來考慮,并施加于結(jié)構上,即混凝土收縮當量溫差,其計算公式為:

ΔT=-εy/α

(1)

其中,α為混凝土的線膨脹系數(shù),α=1×10-5。對于試驗室內(nèi)的試件,混凝土的收縮應變一般在(200～400)×10-6之間,平均為300×10-6。而在實際中,隨著構件體積的增大,體表比相對減小,會影響到水分的散發(fā),因而收縮應變會減少。在超長結(jié)構的施工過程中,往往會每隔30～40 m設置一道后澆帶,使結(jié)構在后澆帶澆筑之前完成一部分收縮。后澆帶保留一般不少于1個月,在此期間混凝土收縮可以完成30%～40%。

合肥市火車站地下廣場頂板混凝土強度等級為C40,頂板處大部分梁的尺寸為800 mm×1 000 mm,樓板厚度為400 mm,養(yǎng)護考慮為3 d。環(huán)境相對濕度取合肥市的年平均濕度,為75%,體表比為233.34 mm。該條件下各個混凝土收縮預測模型的60、90 d的收縮率、最終的收縮應變值及60 d之后的收縮應變產(chǎn)生的收縮當量溫差見表2所列。從表2中可以看出,除文獻[2]模型在60 d完成45%外,其余均在9%～27%內(nèi)。各個模型60 d之后收縮當量溫差差異較大,極差為34.6 ℃;而ACI 209.2R-14和規(guī)范EN 1992-2中提供的模型60 d之后收縮當量溫差相差較小,且文獻[2]模型比兩者小約8 ℃。

表2 各收縮模型的分析結(jié)果

由于文獻[2]模型在預測混凝土收縮應變上考慮的因素較多,尤其是考慮配筋對收縮的影響,與實際工程比較接近,其他幾個模型均是針對素混凝土構件,因此擬采用該模型預測。合肥市火車站地下廣場工程設置有后澆帶,保留60 d,故取收縮當量溫差為-9.4 ℃。水工混凝土結(jié)構設計規(guī)范中規(guī)定[8],初估混凝土干縮變形時可將其影響折算為10～15 ℃的溫降;鐵路橋涵設計基本規(guī)范中規(guī)定[9],整體澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構和分段澆筑的鋼筋混凝土結(jié)構分別相當于降低溫度15、10 ℃。可以看出,采用該模型得出的收縮當量溫差與2個規(guī)范給出的降溫值具有一致性。

1.3 地下室頂板現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

為進一步確定計算火車站地下廣場頂板收縮當量溫差時應采用的收縮模型,選取該工程頂板中段監(jiān)測數(shù)據(jù)(測點1～5)與各收縮模型進行對比分析。測點應變影響因素主要包括板自重、收縮和溫度等。由于測點前期監(jiān)測(從混凝土澆筑到預應力張拉前)始末溫差約為0.4 ℃,因此對板應變影響較小。在測點應變基礎上扣除自重作用下板的應變,可近似認為是混凝土收縮應變。

由于頂板中性軸處的收縮應變在整個板截面具有代表性,因此需將板測點上下2個應變值折算至中性軸處再與各收縮模型進行對比?；炷猎诖吮O(jiān)測期內(nèi)仍處于彈性階段,根據(jù)傳感器相對位置關系計算板中性軸處應變,其與各收縮模型對比結(jié)果如圖3、圖4所示。由于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的變化規(guī)律與文獻[2]模型更為接近,因此在計算收縮當量溫差時選用該模型更為合理。

圖3 中段各測點應變與文獻[2]模型對比結(jié)果

圖4 中段各測點應變與其余收縮模型對比結(jié)果

2 收縮效應折減系數(shù)

2.1 徐變對收縮作用的折減系數(shù)

混凝土結(jié)構的徐變會降低收縮引起的結(jié)構內(nèi)力,因此在計算結(jié)構的收縮應力時,需要考慮徐變對收縮應力的折減?；炷列熳儗κ湛s作用的折減系數(shù)(記為C)的計算公式[10]為:

C=1/[1+χ(t,τ0)φ(t,τ0)]

(2)

其中,χ(t,τ0)為老化系數(shù),0.5<χ(t,τ0)<1;φ(t,τ0)為齡期調(diào)整系數(shù),也稱為徐變系數(shù)。

老化系數(shù)的計算方法有很多,文獻[11]對計算老化系數(shù)的老化法、繼效法、B-K法、中值法和王勛文法等5種方法進行了比較,推薦使用王勛文法計算老化系數(shù),其計算公式如下[12]:

χ(t,τ0)=1/[1-R(t,τ0)]-1/φ(t,τ0)

(3)

R(t,τ0)=exp{-0.665 4φ-0.107[1-exp(-3.131φ)]}

(4)

其中,φ=φ(t,τ0);R(t,τ0)為混凝土的松弛系數(shù)。

徐變系數(shù)的計算模型有CEB-FIP MC10[3]、EN 1992-2[4]、ACI 209.2R-14[6]及B3[7]等,由于B3模型在計算徐變系數(shù)隨時間的增長時不收斂,因此在此不做討論。將各模型計算得出的終極徐變系數(shù)代入(2)～(4)式中,可得折減系數(shù)隨構件體表比的變化如圖5所示。

圖5 C值隨構件體表比的變化

從圖5中可以看出,文獻[2]模型中C值為定值(用于簡化計算時);其他3個模型中,C值與體表比成正相關,表明構件體表比對C值的影響較大,不可忽略,對不同工程體表比不同,C值也不同。C值在工程實際中一般取0.3～0.5[10]。當體表比為233.34 mm時,各模型的C值在0.22～0.32范圍內(nèi),偏于安全考慮取C值為0.32。由于配筋對混凝土徐變具有抑制作用[13],而在上述這些模型中,沒有考慮配筋對混凝土的作用,因此C值取0.32是可行的。

2.2 剛度折減系數(shù)

混凝土開裂會導致梁的抗彎剛度、軸向剛度以及柱的抗側(cè)剛度減小,結(jié)構中的溫度收縮效應隨之減小。在計算允許開裂的超長混凝土框架結(jié)構的溫度收縮效應時,為保守起見,在考慮徐變折減的基礎上,對溫度收縮效應再乘以0.8的折減系數(shù)來考慮混凝土開裂的影響[10]。

3 地下室頂板收縮效應的有限元分析

3.1 模型的建立

利用有限元軟件SAP2000分析結(jié)構在收縮當量溫差作用下地下室頂板的作用效應。在建模過程中,梁、柱采用框架單元,板、剪力墻采用厚殼單元。為方便研究,對該工程模型做了如下簡化:

(1) 僅考慮梁、板、柱及剪力墻在溫度及收縮作用下的效應,忽略地下車庫通道及剪力墻中較小的開洞影響。

(2) 忽略無梁樓蓋中柱帽對結(jié)構的影響。

3.2 收縮效應

在計算收縮當量溫差的作用效應過程中,將收縮當量溫差導致的彈性收縮應力乘以徐變及剛度折減系數(shù)兩者的乘積0.256后,再對該收縮應力的大小及分布情況進行分析。以下分析的結(jié)果中,均考慮了0.256的折減系數(shù)。

收縮當量溫差下頂板最大主應力分布如圖6所示,從圖6可以看出:① 東、中、西3段頂板平均拉應力分別為0.55、0.50、0.70 MPa左右；② 轉(zhuǎn)角處局部拉應力高達1.30 MPa，板洞短邊存在應力集中的現(xiàn)象,中段盾構機吊裝區(qū)域的板洞短邊局部應力為0.90 MPa,而板洞長邊中間部分應力較小,同時存在較小的壓應力,可達-0.06 MPa。

圖6 收縮當量溫差下頂板最大應力分布圖

4 裂縫控制措施

根據(jù)前述分析,收縮作用產(chǎn)生的頂板拉應力范圍為0.50～0.70 MPa。在設計方面,建議設置合理的預應力筋量使結(jié)構產(chǎn)生0.50～1.00 MPa的預壓應力來控制結(jié)構收縮裂縫;另外,合肥地區(qū)此類結(jié)構因季節(jié)溫差產(chǎn)生的拉應力較大,因此建議設置合理的預應力筋量來控制結(jié)構因季節(jié)溫差產(chǎn)生的裂縫。在施工方面,建議合肥地區(qū)此類結(jié)構將合攏期放在2—4月份或10—12月份[14],以減小因季節(jié)溫差產(chǎn)生的拉應力。

5 結(jié) 論

(1) 合肥地區(qū)地下超長混凝土結(jié)構的收縮規(guī)律與文獻[3]模型最為接近,對合肥地區(qū)的超長混凝土收縮分析建議采用該模型。

(2) 對各種徐變模型計算出的徐變對收縮作用的折減系數(shù)進行匯總,比較實際工程中所采用的徐變折減系數(shù),得出徐變對收縮作用的折減系數(shù)可取0.32。

(3) 按本文所取收縮模型計算出收縮當量溫差為-9.4 ℃,在該當量溫差作用下地下室頂板平均拉應力范圍為0.50～0.70 MPa。

(4) 在設計方面,建議設置合理的預應力筋量使結(jié)構產(chǎn)生0.50～1.00 MPa的預壓應力來控制結(jié)構收縮裂縫。