高层建筑基础大体积混凝土防裂及温度构造钢筋配置及研究

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1、高层建筑基础大体积混凝土温度构造钢筋配置研究摘要：本文结合工程实例，利用有限元ANSYS软件，对高层建筑大体积混凝土进行数值模拟计算，根据温度场及温度应力场的计算结果，讨论高层建筑基础大体积混凝土温度构造钢筋的配置原则，并最终确定了合理的构造钢筋的配置区域及加密区域，为基础底板的结构设计提供了理论依据。1前言在高层建筑基础大体积混凝土的结构设计中，对于混凝土结构的强度和变形计算，主要考虑由结构上部荷载引起的应力和应变，钢筋的数量及位置均也是按荷载应力和应变来配置。对于在非荷载(温度)应力及应变作用下，大体积混凝土的实际受力情况，设计中未考虑，从而出现了应力分布情况与钢筋

2、的配置不均衡的现象，结果导致大体积混凝土开裂。本文利用ANSYS软件对某实际工程进行数值模拟计算，根据计算所得的温度应力分布结果，研究讨论高层建筑基础大体积混凝土的温度构造钢筋的布置问题，以期为其设计提供参考依据。2工程实例模拟计算（加上工程基本情况）本文以北京某酒店工程为例，主要对Ⅱ区的筏板基础温度应力场进行数值模拟。图1II段测温点平面布置图表1C40混凝土配合比ANSYS热分析中，混凝土和地基采用SOLID70热单元，结构计算时采用SOLID45单元。地基与基础混凝土的热工参数见表2。表2C40混凝土基础及地基的热工参数2.2温度场模拟分析首先按照上述计算的初始条

3、件和边界条件施加在结构上。然后将热荷载逐级加载到模型上，荷载选择斜坡加载形式。图2给出了测点2、点3的上、中、下的温度计算结果。图3给出了测点2、点3的中心点的实际测量结果。图2测点2-3温度计算结果图3测点2-3中心点的测量温度可以看出，计算结果与实际测温的结果基本吻合，由上表可知：在浇筑第3d左右内外温差出现最大值，差值为11℃；另外在第15d取消上部保温材料后，内外温差较大，差值为10℃。实际测量温度值受外界气温等因素影响上下波动。2.2地基约束条件下的温度应力模型分析计算结果如图4、图5图4第3d温度应力云图图5第36d温度应力云图3温度构造钢筋配置分析3.1温

4、度裂缝控制关键点：由图2~图5可知，高层建筑基础大体积混凝土温度裂缝的关键在如下两个时段：①内外温差比较大时的温度应力，温差过大会产生表面裂缝；②降温阶段后期时的温度应力。降温阶段混凝土的收缩受到地基等外部约束而在混凝土内部产生拉应力，该拉应力首先抵消升温阶段产生的压应力，而在降温阶段后期变成较大的拉应力，从而在混凝土内部产生贯穿裂缝。3.2温度裂控的原则3.3截面应力结果分析第3d、15d和第36d点2-3处的纵（X方向）截面应力云图见图6（a、b、c），横（Z方向）截面温度应力云图见图7（a、b、c）。图6第3d、15d、36d纵向截面温度应力云图图7第3d、15d

5、、36d横向截面温度应力云图分析温度应力截面云图可知：①相同纵、横截面处混凝土上、下表层受到的拉应力较大；②升温阶段混凝土内部为压应力，到降温阶段后期，混凝土内部才产生拉应力，且中心拉应力较小；③同一深度（Y值相同）平面，四周拉应力大于中心区拉应力。3.4温度构造钢筋的配置混凝土内部拉应力较小，不会导致贯穿裂缝的产生。所以本文建议混凝土内部不配置温度构造钢筋。此外，在大体积混凝土结构中，由于钢筋和混凝土的热膨胀系数差异较大，如果在高温区设置构造钢筋，反而加大了混凝土的拉应力。从这一角度来说，钢筋也不宜配置在混凝土内部中心区域。虽然在降温阶段混凝土内部产生了拉应力，但与此

6、同时混凝土的抗拉强度也在不断提高，在厚度相对较小的高层建筑基础大体积混凝土中，产生的拉应力一般不会超过其抗拉强度。所以温度构造钢筋应设置在混凝土表层，其目的是防止混凝土产生表面裂缝；中间层不再设置温度构造钢筋。当基础底板较厚（2.0m左右）时，为了提高混凝土的抗裂性能，底板中间层四周应力相对较大的区域可以设置构造钢筋。根据应力云图，本文定义矩形截面基础底板中间层温度构造钢筋设置区域如图8。⑤温度构造钢筋的加密区应是温度应力相对较大的区域，由于同一深度平面四周拉应力大于中心区拉应力，所以表层温度构造钢筋应在平面四周加密，中心部位可相应减少配筋率，从而避免由于应力与钢筋的数

7、量不均衡现象而导致的混凝土开裂。根据截面应力云图，本文定义了混凝土基础表面温度构造钢筋的加密区，对于矩形截面混凝土基础底板加密范围如图9。图8中间层温度构造钢筋配筋范围图9表层温度构造钢筋加密区4结束语本文利用ANSYS软件结合工程实例，对高层建筑基础大体积混凝土施工及养护时期的温度场及应力场进行数值模拟，确定了高层建筑基础大体积混凝土的温度裂缝控制点，温度钢筋配置区域以及温度钢筋加密范围，为高层建筑基础大体积混凝土施工过程中的温度裂缝防控技术、温度构造钢筋的配置提供参考。