【文章內(nèi)容簡介】 混凝土的內(nèi)應(yīng)力,推遲混凝土裂縫的出現(xiàn),亦提高了混凝土極限拉伸。大量工程實(shí)踐證明了適當(dāng)配筋能夠提高混凝土的極限拉伸,其關(guān)鍵在于“適當(dāng)”兩字?；炷敛牧辖Y(jié)構(gòu)是非勻質(zhì)的,當(dāng)混凝土梁承受拉力作用時(shí)截面中各質(zhì)點(diǎn)受力不均勻,存在大量不規(guī)則的應(yīng)力集中點(diǎn)引起局部塑性變形。若在梁中適當(dāng)配筋,鋼筋將約束混凝土塑性變形,提高梁整體極限拉伸值,限制裂縫擴(kuò)展。當(dāng)梁配筋率一定時(shí),鋼筋與混凝土的粘結(jié)力隨鋼筋表面積增加而增長,故裂縫的開展程度隨著鋼筋根數(shù)增加而降低。反映這一關(guān)系的有如下經(jīng)驗(yàn)公式【`39。n二n,.P、.,n一4￡〔t、〔1+二、x10一”……〔、d39。式中:飾(at)一配筋后的混凝土極限拉伸(mmm/m)。R廠混凝土標(biāo)準(zhǔn)抗裂強(qiáng)度N(m/mZ)。d一鋼筋直徑(cm)。p一截面配筋率只100,即p一As/Ac只100,其中AS,A。分別為鋼筋和混凝土截面面積。鋼筋與混凝土共同工作的基礎(chǔ)是兩者之間的粘結(jié)力。由于鋼的彈性模量約為混凝土彈性模量的7一巧倍,所以當(dāng)混凝土內(nèi)應(yīng)力達(dá)到抗拉強(qiáng)度而開始開裂時(shí),此時(shí)鋼筋的應(yīng)力很小,將不超過10一ZOMPa左右。因此想利用鋼筋來防止混凝土裂縫的出現(xiàn),就不可能達(dá)到目的。但是合理布置分布鋼筋,可以減輕混凝土的收縮程度,限制裂縫的開展。根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在混凝土結(jié)構(gòu)中適當(dāng)?shù)嘏渲脴?gòu)造鋼筋,無論對(duì)于溫度應(yīng)力或收縮應(yīng)力,都能提高結(jié)構(gòu)的抗裂性。但是也有一種觀點(diǎn)認(rèn)為,混凝土配置鋼筋不但不能抵抗收縮應(yīng)力,反而增加了自約束應(yīng)力。從直觀上看,混凝土收縮,鋼筋不收縮,因而必然產(chǎn)生收縮應(yīng)力,但在含鋼率較低的情況下,數(shù)值是微小的,一般可以忽略不計(jì)。當(dāng)然在某些配筋率較高的構(gòu)件中,例如配筋率達(dá)5一10%的中心受拉構(gòu)件,收縮應(yīng)力值尚為可觀,計(jì)算中應(yīng)考慮其影響。各種地下現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)物及設(shè)備基礎(chǔ)的配筋率為0.巧一0.3%,這種自約束引起的應(yīng)力可以忽略不計(jì)。但是從另一方面看,適當(dāng)配置構(gòu)造筋對(duì)于混凝土的極限拉伸是有益的,對(duì)于薄壁結(jié)構(gòu)更為顯著,即便是中體積混凝土結(jié)構(gòu),雖然從總截面看來配筋率較低,但配置在面層區(qū)域,對(duì)防止常見的表面裂縫也是有效的?？傊?雖然合理配置鋼筋增加了一定程度的收縮應(yīng)力是個(gè)缺點(diǎn),但是它提高極限拉伸和約束裂縫擴(kuò)展的優(yōu)點(diǎn)大于缺點(diǎn),在工程實(shí)踐中可看出增加構(gòu)造鋼筋對(duì)抵抗變形作用的抗裂效果。6.2徐變對(duì)混凝土裂縫的影響固體材料在固定荷載長期作用下將產(chǎn)生緩慢的變形,力學(xué)術(shù)語為蠕變,混凝土科學(xué)中習(xí)慣地稱為徐變。固體材料在固定變形約束下,其內(nèi)部的應(yīng)力隨時(shí)間逐漸變化的現(xiàn)象定義為應(yīng)力的松弛。兩者均為固體材料流變力學(xué)研究的主要內(nèi)容。混凝土徐變的研究一直得到重視,尤其是在處于高應(yīng)力作用下的構(gòu)件,或計(jì)算預(yù)應(yīng)力構(gòu)件的預(yù)加應(yīng)力損失等,已經(jīng)有成熟應(yīng)用的規(guī)范。工程界已經(jīng)意識(shí)到,混凝土的松弛可以減低早期混凝土內(nèi)部由于溫度和收縮變形引起的拉應(yīng)力積累,從而緩解裂縫的產(chǎn)生和發(fā)展。早期徐變的徐變率較大,其變化率也較大,而且早期徐變中也要考慮彈性模量的變化。各種應(yīng)用于長期徐變的模型如:B3模型、AC工一209(1992)模型、中國建筑科學(xué)研究院(86)模型、CEB一F工P(1990)模型等都不適合描述早期的混凝土徐變。早期的溫度應(yīng)力一直在變化,而徐變是和應(yīng)力歷史相關(guān)的,所以早期的混凝土徐變計(jì)算比較復(fù)雜,對(duì)早期徐變的研究較少,多數(shù)研究都是對(duì)長期徐變的研究。2混凝土早期溫度場(chǎng)2.1混凝土早期溫度場(chǎng)理論混凝土結(jié)構(gòu)澆筑完成后,水泥的水化過程尚在持續(xù)中,釋放大量的水化熱使混凝土內(nèi)部溫度上升,通過與外界的熱交換(邊界上熱量的不斷散失、太陽或其他外部熱源的輻射補(bǔ)充),其溫度逐漸與周邊環(huán)境的溫度趨于平衡。這期間,熱量引起溫度膨脹(或者溫度收縮)變形(實(shí)際上為變形作用),若結(jié)構(gòu)受到約束限制則會(huì)產(chǎn)生拉應(yīng)力(間接作用應(yīng)力),假使這種拉應(yīng)力超出了該時(shí)刻(齡期)混凝土的抗裂強(qiáng)度,受約束結(jié)構(gòu)構(gòu)件的混凝土必然破壞—即不可避免的出現(xiàn)溫度裂縫。因此,溫度裂縫生成理論的中心問題,在于混凝土內(nèi)部溫度瞬態(tài)場(chǎng)的分布、邊界條件的限制、溫度變化量及其相應(yīng)的溫度變形之間的轉(zhuǎn)化。現(xiàn)澆混凝土構(gòu)件置于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中,除混凝土水化發(fā)展的水化熱外,還要受到環(huán)境溫度變化的影響。環(huán)境溫度的來源主要是太陽輻射、或施工后加熱養(yǎng)護(hù)等。此外,重要的還有隨混凝土不同而變化,導(dǎo)致相同環(huán)境條件所得溫度發(fā)展結(jié)果不同【5,【6,【7,【8,。2.1.1傅立葉法則在瞬態(tài)傳熱條件下,混凝土的熱力學(xué)平衡方程為傅立葉法則kV(VT)+Q=PcT……()其中:k一傳導(dǎo)率,T溫度,Q一內(nèi)部生熱率(體積元素dv內(nèi)部的熱源,在單位時(shí)間內(nèi)和單位體積內(nèi)發(fā)生的熱量,這樣一個(gè)體積元素dv在時(shí)間dt內(nèi)所產(chǎn)生的熱量就是Qdvd)tO對(duì)于混凝土,所謂內(nèi)部熱源,主要是水泥的水化熱作用,在絕熱條件下,混凝土的內(nèi)部生熱率為:Q=峋……()式中w一每耐中水泥用量(Kg/m3)。q一單位質(zhì)量水泥在單位時(shí)間放出的水化熱。從理論上講,熱傳導(dǎo)問題就是要在各種邊界條件和初始條件的約束下,求解上述一系列熱傳導(dǎo)微分方程。關(guān)于k和pc的特性,應(yīng)當(dāng)考慮水泥水化的過程中它們的發(fā)展。它們的試驗(yàn)值的確定常常用實(shí)驗(yàn)室程序:如GuardedHotPlate或TwoLinearParallelProbemethods,這些特性的分析預(yù)測(cè)也可用混合物的該特性的有利的平均來得到【939。,【`。39。,川39。已硬化的混凝土的熱導(dǎo)率k強(qiáng)烈依賴于混合物中集料的種類,3.sw/m℃【`239。在水泥的水化過程中,熱導(dǎo)率經(jīng)歷了巨大的變化:有試驗(yàn)證明,在混合后的前幾個(gè)小時(shí),熱導(dǎo)率比已硬化的混凝土高20%一30%。根據(jù)RuiZetal.【`339。,混凝土的熱導(dǎo)率根據(jù)下式變化k二k。(。)……()其中:k_代表已硬化的混凝土的熱導(dǎo)率,水化度a確定水泥水化的程度(在土木工程應(yīng)用中,常常用某個(gè)時(shí)刻t的釋放熱與總的水化完成時(shí)應(yīng)放的熱的比率來計(jì)算水化度)【`4】。關(guān)于混凝土的體積比熱pc,在水泥水化的過程中,它有一個(gè)相對(duì)的常數(shù)值,呈現(xiàn)出低于5%最終值的變化【`,39。因此,對(duì)其熱特性采用常數(shù)是可行的,等于已硬化混凝土的t匕熱,典型的為500一117oJ/kgCo【`639。,【`739。919肉喜R份執(zhí)本~…~.~~占~~,t、一丁關(guān)于產(chǎn)生的水化熱,試驗(yàn)證明溫度越高,水化反應(yīng)越快,可用ArrhneutS法則來表述【`“39。EaQ=af(。)eRT……()其中Ea是活化能(J/mol),R是氣體常數(shù)()/molK一`),a是生熱率(J/S)的最大值,(f)a描述標(biāo)準(zhǔn)化的生熱率的發(fā)展過程,它是水化度a的函數(shù)。因?yàn)閷?shí)際上水化度率是Ea女=f(。)ePT……()所以上面方程可表示為:Qas...........................................................................()上面方程可直接通過混凝土混合物的絕熱試驗(yàn)校準(zhǔn)(它提供Tt曲線，t為時(shí)間)。也可間接的用其他熱量計(jì)技術(shù)，如半絕熱或恒溫試驗(yàn)【191,1201。選擇性的，方程式中的參數(shù)和方程f(a)可以通過解析法或?qū)ｉT設(shè)計(jì)用來再現(xiàn)水泥水化的微結(jié)構(gòu)模型來得到，如Hymostruc法，MultiCoponentHydration或CHEMY3D}i439。，021102210關(guān)于活化能，確定它的非常有效和精確的方法是通過等溫測(cè)定【231。然而，下面的參考值可以用在波特蘭水泥的Arrhenius常數(shù)E涯中「191【““’:一E__、「該生(K)=悅長〔4000,T_200C4000+a}s(2o一T},TZO0C初始條件與邊界條件總稱為邊值條件?？梢哉f邊值條件就是一系列熱傳導(dǎo)方程的定解條件，即混凝土表面與周圍介質(zhì)的熱交換條件幾，在傳熱學(xué)上分為四類:(1)在某時(shí)刻ttl結(jié)構(gòu)表面的溫度分布是已知的:T}}}Y}z}}}二}}XAY}Zat1)~~~~…傘8)(2)結(jié)構(gòu)周圍環(huán)境對(duì)結(jié)構(gòu)表面的熱流交換是已知的。即t0的某時(shí)刻，結(jié)構(gòu)表面與周圍氣溫的關(guān)系是表面溫度梯度與溫差(結(jié)構(gòu)表面于環(huán)境氣溫差)成比例:廠}T1K__、}—}=一(d一ln}‘…….“‘……“‘……“‘……(Z男義ctrl夕。兄KI兄一相對(duì)散熱系數(shù)(、為散熱系數(shù))，(c}T/an)。一表面的溫度梯度。(3當(dāng)兩種不同熱學(xué)性能的固體接觸時(shí)，例如混凝土與基巖的基礎(chǔ)接觸，當(dāng)接觸良好的時(shí)候，則在接觸面上溫度和熱流量都是連續(xù)的，其邊界條件為:Tl(x,y,z,幼二TZ(x,y,z,幼……(),盯D、,盯?、___、再(不亡)二也(不戶)””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””39。(去11)(少11(少11(4)混凝土表面的熱流量是時(shí)間的已知函數(shù),即,日T、一允(嘆一)二必(丁)”””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””””39。()記力1式中n一混凝土表面的法向方向。若表面熱流量等于零,則結(jié)構(gòu)物四周是絕熱的:匹一0.....................................................................................……()日n式(2.13)就是絕熱邊界條件。對(duì)于熱問題的邊界條件,對(duì)流和輻射現(xiàn)象對(duì)于混凝土早期是應(yīng)當(dāng)考慮的。對(duì)流是混凝土表面和流動(dòng)的氣體(一般是空氣)之間的傳熱,當(dāng)它們之間存在溫度梯度時(shí),根據(jù)Newtno的冷卻定理,對(duì)流傳熱可表示為【2,39。q二h。(爪一幾)183