20约束刚度对砌体结构中现浇楼板裂缝影响的试验分析.pdf

第 “卷 第 期建筑结构 “ “年 月 约束刚度对砌体结构中现浇楼板裂缝影响的试验分析 苏益声郑宏宇邓志恒 （广西大学土木建筑工程学院南宁 . 86 2 ;，. 7 2 5 7 / 2 ; . - 2 6 ; . 7 ; 1 - / 1 5 . 7 4 5 A . 2 ;7 . 1，/ ; 5 7 0’ * ; . 8 1 9 - 2 1 . 7 ; 2 5 1 1 , 2 . - 2 1 5 ，1 , 2 5 7 8 / 2 7 2. 8 . - 2 6 ; . 7 A ; 1 - / 1 5 . 7 4 5 - B ; 5 71 , 2 ; 1 A 5 7 A 4 2C D; ;. 8 1 , 26 ; . 7 - ; 1 - / 1 / - 2 ; 5 ; - 2 ; 2 ， 0 2 1 ; ; . 6 2/ ; 2 8 / . 7 / ; 5 . 7 ; 8 . - 2 7 0 5 7 2 2 - 5 7 0 E “ . 7 - ; 1 - / 1 / - 2； ; 1 A 5 7 A 4 2C D; ；- 2 ; 1 - 5 7 5 7 0; 1 5 8 8 7 2 ; ;； - B 一、 楼板裂缝研究意义 近年来， 大量的砌体结构和混合结构的住宅楼、 办 公楼中普遍采用现浇钢筋混凝土楼板， 但现浇楼板却 常常出现大量非受力裂缝， 即便是严格按规范进行设 计及施工的工程， 仍难以避免楼板裂缝出现。由于裂 缝的成因较复杂， 影响因素较多， 因此也就难以有针对 性地控制裂缝的出现。这类现浇楼板裂缝不但影响了 用户的使用， 也降低了楼板的耐久性， 影响到建筑的安 全， 同时也给施工方带来了一定的经济损失。因此， 对 这类裂缝的研究有着十分重要的实际意义。目前， 现 浇楼板裂缝问题已成为一个全国性的工程难题， 已引 起了普遍关注。 二、 试验模型简介 现浇楼板裂缝按形态基本可以分为三种 楼板四 角的 F斜裂缝； 纵向裂缝和横向裂缝。其中以板角斜 裂缝出现最多， 且往往是贯穿性裂缝。 针对这类裂缝的特点， 有一种观点认为， 近年来设 计的砌体结构， 圈梁、 构造柱设置过多， 使楼板四周约 束刚度过大， 导致楼板混凝土收缩变形受到较大约束， 当主拉应力超过混凝土的极限抗拉强度时， 导致开裂。 针对以上观点， 为了能说明圈梁、 构造柱所形成的 约束刚度与楼板裂缝的关系， 我们设计建造了两座不 同结构形式的模型 模型’采用与实际工程完全相同 的结构形式， 即每层布置圈梁和构造柱； 模型G在几何 尺寸和材料上与模型’相同， 但是把圈梁和构造柱完 全取消， 楼板嵌入墙体中。两模型的外形见图。 两模型在材料、 设计、 构造、 施工工艺以及所处的 环境等各方面均尽可能与实际工程的情况一致 （混凝 土 材料配合比见表） ， 以便充分模拟实际条件， 说明 （的抗拉强度平均值为“ I J ／66 “。 通过这两个模型的对比试验， 可以说明圈梁、 构造 KK 图试验模型楼板裂缝分布图 （板面） 柱对砌体结构现浇楼板裂缝的影响程度。 三、 试验结果 经过连续“个月的长期观测， 两座试验模型的各 层楼板均在混凝土达到个月左右龄期时出现板角斜 裂缝 （四块楼板分别在 ， ’， ， *龄期观测到第 一条裂缝） ， 各模型出现裂缝的时间基本一致， 混凝土 龄期达“个月后裂缝发展基本稳定。出现裂缝这段期 间， 室内日平均温差在’以内， 室内相对湿度在 , 左右， 变动不大。最终的板面裂缝分布见图。 从以上裂缝分布图可以看出， 两座模型楼板在实 际条件下均产生了数量相当的裂缝， 裂缝形态、 宽度和 出现裂缝时间也基本一致， 板底的裂缝位置及走向均 与板面裂缝吻合较好， 偏差不大， 各板角裂缝绝大多数 已裂通整个板厚， 为贯穿性裂缝， 这说明取消圈梁和构 造柱对控制裂缝作用不大。 四、 计算模型约束刚度值计算 为了分析两座试验模型的约束刚度值， 按试验模 型实际材料的各项几何、 物理参数建立了两个有限元 模型， 并用大型有限元分析软件- . / 0 /对其约束刚度 进行计算分析。所用计算模型如图所示。 考虑到实际模型的圈梁 （模型-） 混凝土或楼板混 凝土 （模型1） 与墙体之间粘结强度较大， 加上墙体及 钢筋混凝土自重较大， 产生的摩擦力也较大， 因此， 楼 板混凝土的收缩变形仍不至破坏墙体与混凝土间的粘 结强度； 从试验现场观测来看， 也未见到混凝土与墙体 之间因滑动而产生的粘结破坏裂缝。因此在有限元模 型中混凝土与墙体之间均采用粘结的接触条件。由于 试验模型在底部设置基础圈梁一道， 且基础处受温度 影响较小， 且湿度易保持， 因此不均匀沉降和基础圈梁 收缩可忽略不计， 相应地， 计算模型的地基也采用固定 端的边界条件。另外， 由于对称， 取模型的二分之一或 四分之一进行计算， 在截断面处取对称的边界条件。 由于混凝土收缩量和收缩速率与构件失水关系较大， 因此收缩量及收缩速率与构件的外表面外露程度 （一 般用构件表面积与体积之比作为衡量指标） 成正比。 显然， 楼板的外表面外露程度比埋在墙体内的圈梁或 板要大， 因此只考虑楼板的收缩而不考虑墙体内圈梁、 嵌固板的混凝土的收缩。另外， 由于楼板较薄， 外露表 面积大， 混凝土浇筑时的水泥水化热易于散发， 与大体 积混凝土不同， 因此水泥水化热的温度影响忽略不计。 图有限元分析模型图 （已截去楼板） 为了计算由于楼板混凝土收缩受到约束而在楼板 中产生的正应力值， 引入了约束刚度这一概念。定 义楼板的约束刚度为使楼板四边发生单位位移所 必须施加给板四边的正应力值， 并以指向楼板截断面 外法向为正方向， 如图2中粗箭头所示。计算约束刚 度的原理 将模型的楼板截去， 在截断面上施加指向平 面外正方向的单位正应力 .／33 ， 通过 - . / 0 /程序 计算截断面上各点的位移， 则4／.335。通 过约束刚度可求出约束产生的截面正应力的大小 约束刚度与楼板混凝土被约束的自由应变量的乘 积就是约束正应力的值。有限元分析软件不直接求约 束应力， 而只求约束刚度。原理如图2所示。 对截断面上各节点进行编号， 如图2。因在楼板 自重及使用荷载作用下楼板不应出现贯穿性裂缝， 且 也与收缩约束作用产生的应力混在一起， 故计算中不 考虑自重及使用荷载的作用。计算结果见表。 从表中的数据来看， 靠上层楼板的约束刚度较靠 下层楼板的约束刚度稍微小一点， 这与自重和约束作 用自上向下传递及墙体约束作用叠加有关。 还可看出， ’“标准分享网 w w w .b z f x w .c o m 免费下载 楼板约束刚度计算值表 节点 （上／下） 模型 位移平均值 （） 层“层 平均值 （／） ’／’ ’ ’ “ “ * , ’ “ - “ . , * * , / ’ - ’ “／“ ’ * , “ * ’ , ’ “ , “ , . - * / , * , . “ ’ - ’ ／ * - 0 ’ ’ * ’ ’ ’ ’ “ “ * “ * - / , * . * ’ - “ ,／, * * ’ ’ , - . * - * - ’ * . ’ ’ 0 , * / ’ “ ’ - “ .／. * . - ’ ’ * * / / “ ’ ’ - ’ / * . * ’ - /／/ * / - * / - * * , * * ’ “ . ’ ’ , * ’ - 0／0 * ’ * * * ’ - . * . , “ “ * 0 ’ - * ／ * * , 0 * * 0 / * * , - * * ’ “ * , ’ “ 0 . “ ’ / -／- * ’ “ * / * ’ - * - . “ 0 “ 0 0 , ’ - * ’ *／’ * * 0 ’ * / - , * , ’ “ * “ “ . / ’ ’ “ ’ - ’ ’／’ ’ * . - ’ ’ ’ * * / / - ’ ’ . - ’ * “ / ’ - ’ “／’ “ * * . ’ . * , * - ’ 0 ’ “ , ’ ’ / 0 * / * 0 ’ - “ ’ ／’ * - 0 - ’ “ ’ ’ ’ “ “ “ “ “ , * - . / * . * * ’ - ’ ’ ,／’ , ’ * - ’ “ * “ 0 ’ “ . . “ , . * . 0 * , , ’ - ’ ’ .／’ . ’ ’ ’ “ ’ * * ’ * “ . 0 * “ / * , “ ’ - ’ 模型的平均约束刚度大致是模型的’ -倍。这说 明圈梁、 构造柱 （主要是圈梁） 的存在使约束刚度有所 增大。 图,约束刚度计算原理图及节点编号 （模型） 五、 理论计算分析结果 基本假定 楼板自由收缩为无效收缩， 即收缩时楼 板四边保持为直线； 忽略楼板自重和使用荷载作用的 影响； 因试验现场实测室内楼板温度波动不大， 相对湿 度保持为 *1左右， 变化不大， 因此不考虑温度、 湿度 的影响。 对楼板应力的计算， 可以分两个方面进行 一方面 是垂直于板边的正向约束应力； 另一方面是平行于板 边的剪切约束应力。这两种约束应力合成就构成了楼 板内部的拉应力。当板中的主拉应力值超过板混凝土 的抗拉强度时， 楼板即可能开裂。剪切约束应力的计 算公式可参考文 ［’］ 的有关内容， 上述约束刚度计算主 要针对正向约束刚度进行。 最终推导出的楼板收缩约束应力计算公式如下 “ （“） （“） ’“ （“）（’’）’ 23’’ 2 4“ 2 4／ （） “ （’） 式中 “ （“） 为楼板混凝土拉应力值 （／ “） ； （“） 为 正向约束刚度 （／ ） ； 为楼板边长 （） ； 为混 凝土泊淞比， 一般取* ’ /或’／/； 2为混凝土弹性模 量 （／ “） ； 3为混凝土自由收缩应变；“为计算截面 与板角的距离 （） ； ’，“， 为参数， 计算式为 ［’］ ’ 2 ’’ “；“（’’） 3； * “ 2 其中， 为切向约束刚度 （／ ） ， *为剪切约束作 用高度 （） 。 有关参数取值为 根据文 ［’］ ， 混凝土弹性模量在 “ 5龄期可达- “1的成熟度，/ * 5可达- - .1的成熟 度， 因此取6 .混凝土的27 ’ .8’ * , ／ “； 根据 文 ［’］ 公式算得 37 “ ’8’ * 9/； 直接取’ . ／ ； *7／“， 即板边长的一半； 对各点约束刚度值进行拟 合， 得拟合的正向约束刚度计算式为 （“） .- - “ ““’ ’ “ - （模型） ,, ’ . /“’ ’ “ - （模型 ） 图.计算截面的选取 式 （’） 分为两部分， 前 一部分拉应力由正向约束 产生， 后一部分由切向约束 产生。如图.所示， 在一个 合适的范围内， 选取若干截 面， 计算其拉应力， 这里取 7 * *- * * ， 则,7 ’ * *, . * 。“取不同的 值， 计算结果见表。 楼板混凝土拉应力计算值 （／ ） 表“ “（）’ * *“ * *“ . * * * . *, * *, . * / . “, 0 ’, * . - ’ -“ 0“ . - . “ ,“ *“ , *“ ’ *’ /’ / 注 混凝土抗拉强度为“ * ／“。 从表中数据可以看出， 模型的正向约束刚度 较小， 但其楼板中存在的收缩约束主拉应力仍可能达 到或超过混凝土的抗拉强度而使混凝土开裂。但从开 裂的位置来看， 由于板角处刚度较大， 要使混凝土达到 （下转第 /页） /