孟 甲

（天津中北港灣工程建設(shè)監(jiān)理有限公司，天津 300222）

引 言

配筋在承臺(tái)建設(shè)中的地位較為顯著，容易受到配筋數(shù)量、間距以及直徑等的影響，嚴(yán)重情況下會(huì)導(dǎo)致承臺(tái)裂縫的產(chǎn)生，但在理論上的認(rèn)識(shí)還是十分有限的，只有相關(guān)鋼筋布置位置方面的條文性規(guī)定[1]?；诖?，本文將在大體積混凝土溫度應(yīng)力理論分析的基礎(chǔ)上對(duì)承臺(tái)鋼筋配置進(jìn)行探究，通過理論與實(shí)證結(jié)合的方式探明溫度裂縫指數(shù)、鋼筋間距以及鋼筋直徑間的內(nèi)在聯(lián)系[2]。

1 大體積混凝土溫度應(yīng)力的有限元分析

本文將大體積混凝土應(yīng)力視為彈性徐變體來簡化計(jì)算的難度，從而分析溫度應(yīng)力的變化情況，此處將時(shí)間τ分為時(shí)間段 Δτ1、 Δτ2… Δτn進(jìn)行增量分析，具體如下所示。

在Δtn中生成的應(yīng)變?cè)隽勘磉_(dá)式為：

復(fù)合指數(shù)：

空間問題：

徐變應(yīng)變?cè)隽浚?/p>

其中，溫度變化和熱膨脹系數(shù)分別由ΔT、α表示。

應(yīng)變?cè)隽亢蛻?yīng)力增量在任意一個(gè)Δt中的關(guān)系可由下列式子表達(dá)：

單元節(jié)點(diǎn)力的表達(dá)式為：

因此，單元?jiǎng)偠染仃嚳捎墒剑?3）表達(dá)：

整體平衡方程是通過編碼法獲取的，即對(duì)節(jié)點(diǎn)荷載和節(jié)點(diǎn)力集合，如下所示：

2 模型構(gòu)建與配筋前后承臺(tái)應(yīng)力比較分析

2.1 模型構(gòu)建

本文以某橋 25樁承臺(tái)作為此次研究的依托工程，承臺(tái)規(guī)模為17.7 m×17.7 m×3.5 m，采用強(qiáng)度等級(jí)為C40的混凝土，遵循實(shí)際的施工概括進(jìn)行分析。

2.2 配筋前后承臺(tái)溫度應(yīng)力的比較分析

配筋前后承臺(tái)混凝土澆筑早期的溫度應(yīng)力情況最能體現(xiàn)應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，因此對(duì)澆筑后的1～32天內(nèi)配筋后承臺(tái)混凝土中心部位的表面和內(nèi)部應(yīng)力情況進(jìn)行了測(cè)試，結(jié)果如圖1、圖2所示。

從圖1可以看出，承臺(tái)表面第4天的應(yīng)力達(dá)到了2.1 MPa，超出了允許拉應(yīng)力的范圍，表明配筋前第4天產(chǎn)生受到了水化熱作用的干擾，會(huì)造成裂縫的產(chǎn)生。同時(shí)，內(nèi)部應(yīng)力情況也隨著時(shí)間的遞增而逐漸趨近允許拉應(yīng)力。

圖1 配筋前承臺(tái)混凝土的應(yīng)力測(cè)試情況

圖2 配筋后承臺(tái)混凝土的應(yīng)力測(cè)試情況

從圖2可以看出，表面的混凝土拉應(yīng)力呈現(xiàn)出有增有減的趨勢(shì)。其中，最大應(yīng)力在第4天產(chǎn)生，為1.6 MPa，在第25天出現(xiàn)了最低值-1.9 MPa，前期承臺(tái)表面應(yīng)力情況均未超過允許拉應(yīng)力的范圍。從內(nèi)部應(yīng)力情況來看，內(nèi)部混凝土拉應(yīng)力呈現(xiàn)出先減后增的趨勢(shì)，其中在第 2天出現(xiàn)了最低值-1.4 MPa，而后一路攀升，在第25天出現(xiàn)了最大值2 MPa，但均為超過允許拉應(yīng)力的范圍。綜上所述，配筋后承臺(tái)混凝土的應(yīng)力情況優(yōu)于配筋前混凝土的應(yīng)力情況，克服了水化熱帶來的拉應(yīng)力，降低了承臺(tái)的內(nèi)部和外部澆筑產(chǎn)生裂縫的可能性。

3 極限拉伸及抗裂的性能分析

3.1 鋼筋對(duì)承臺(tái)混凝土極限拉伸的性能分析

混凝土在受到拉力作用時(shí)，由于其自身非均質(zhì)性的特點(diǎn)，會(huì)導(dǎo)致截面無法均勻受力，造成應(yīng)力集中點(diǎn)零散不規(guī)則的遍布在截面各處。當(dāng)這些應(yīng)力無法滿足抗拉強(qiáng)度時(shí)，那么就會(huì)產(chǎn)生局部的塑性形變，若沒有鋼筋的支撐，那么就會(huì)導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生[3]?？梢姡炷磷陨淼目估瓘?qiáng)度十分有限，很難抵御拉應(yīng)變帶來的影響，即使很小的拉應(yīng)變亦是如此，極容易造成裂縫的產(chǎn)生。關(guān)于配筋在混凝土極限拉伸方面的研究課題，在國內(nèi)外都比較熱門，同時(shí)亦得出了較多關(guān)于配筋能夠增進(jìn)混凝土極限拉伸效果的觀點(diǎn)，但增進(jìn)程度卻眾說紛紜，這是由配筋率和配筋形式的不同導(dǎo)致的。

綜上所述，配筋率與鋼筋直徑的不同均會(huì)造成不同的配筋混凝土極限拉伸狀況，表明三者之間存在一定的聯(lián)系，若僅在瞬時(shí)荷載條件下，那么可通過ΓInckpenΓ公式進(jìn)行表達(dá)：

其中，配筋后混凝土的極限拉伸由εpd表示；鋼筋直徑和截面配筋率分別由d和ρ表示，混凝土抗拉強(qiáng)度由ft表示。從式子可以直觀看出，極限拉伸值會(huì)受到鋼筋直徑和截面配筋率的影響，當(dāng)截面配筋率在固定條件下，鋼筋直徑越小那么極限拉伸值就會(huì)越大，即鋼筋直徑越小越能提高承臺(tái)混凝土的抗裂能力。

3.2 鋼筋配置對(duì)承臺(tái)混凝土抗裂的性能分析

鋼筋配置的方式、配筋率的多少、鋼筋直接的大小、間距等都是承臺(tái)混凝土裂縫控制的重要影響因素，但在理論上的認(rèn)識(shí)還是十分有限的，只有相關(guān)鋼筋布置位置方面的條文性規(guī)定?；诖耍疚膹某信_(tái)結(jié)構(gòu)表面出發(fā)，對(duì)不同鋼筋間距、不同鋼筋直接的溫度裂縫指數(shù)進(jìn)行了比較，在不同鋼筋直徑都為15 mm時(shí)，對(duì)間距5 cm、10 cm、15 cm、20 cm、25 cm、30 cm以及無配筋情況下的承臺(tái)表面前五天溫度裂縫指數(shù)進(jìn)行了收集，具體如圖3所示。同樣，在固定鋼筋間距為15 cm的情況下，對(duì)不同鋼筋直徑Φ10、Φ12、Φ14、Φ16、Φ20、Φ32以及無配筋情況下的承臺(tái)表明前五天溫度裂縫指數(shù)進(jìn)行了收集，具體如圖4所示。

圖3 鋼筋間距不同的溫度裂縫指數(shù)情況

圖4 鋼筋直徑不同的溫度裂縫指數(shù)情況

從圖3可以看出，承臺(tái)表面混凝土溫度裂縫指數(shù)會(huì)受到配筋間距的干擾，并隨著時(shí)間的推移而減少，在第4天出現(xiàn)了最低值，且無配筋的溫度裂縫指數(shù)為0.99，比1小，說明無配筋在第4天產(chǎn)生了裂縫，雖然其他間距的配筋存在向1接近的趨勢(shì)，但并沒有小于 1，因此，說明配筋在承臺(tái)能夠提高混凝土的抗裂能力。此外，隨著鋼筋間距越來越密集，溫度裂縫指數(shù)就變得越來越大，說明，溫度裂縫指數(shù)會(huì)隨著鋼筋間距的減少而增大，因此可通過較少鋼筋的間距來提高承臺(tái)表面混凝土的抗拉能力。圖4的結(jié)果顯示與圖3結(jié)果的趨勢(shì)基本類似，無配筋承臺(tái)表面混凝土在第4天的溫度裂縫指數(shù)為0.89，比1小，表明無配筋承臺(tái)在第4天會(huì)出現(xiàn)裂縫，雖然溫度裂縫指數(shù)會(huì)隨著配筋直徑的增加而增加，但增長幅度并不明顯，說明鋼筋直徑對(duì)溫度裂縫指數(shù)的影響可能會(huì)存在局限性。

4 承臺(tái)抗裂配筋的建議

綜上所述，溫度裂縫指數(shù)均會(huì)受到鋼筋直徑和間距的影響，不僅會(huì)隨著鋼筋間距的縮小而增大，而且還會(huì)隨著鋼筋直徑的增大而增大，雖然鋼筋直徑對(duì)溫度裂縫指數(shù)的影響會(huì)存在一定的局限性，但整體上仍能提高溫度裂縫指數(shù)，增強(qiáng)承臺(tái)表面的抗裂能力。因此在實(shí)際施工中，建議選取間距小且直徑合理的鋼筋進(jìn)行配筋。

5 結(jié) 語

本文首先對(duì)溫度有限元理論進(jìn)行了推導(dǎo)及講解，得到了單元應(yīng)力的計(jì)算公式；其次對(duì)配筋前后承臺(tái)表面和內(nèi)部的溫度應(yīng)力進(jìn)行了分析比較，發(fā)現(xiàn)配筋后承臺(tái)表面在第 4天達(dá)到了溫度應(yīng)力的峰值1.6 MPa，并沒有超過允許拉應(yīng)力，優(yōu)于配筋前的應(yīng)力情況。接著對(duì)鋼筋對(duì)承臺(tái)混凝土極限拉伸及抗裂的性能進(jìn)行了分析，給出了配筋對(duì)極限拉伸的公式，并對(duì)鋼筋直徑、鋼筋截面配筋率以及極限拉伸之間的聯(lián)系進(jìn)行了詳細(xì)分析，此外在配筋對(duì)極限拉伸公式的基礎(chǔ)上對(duì)不同鋼筋間距和不同鋼筋直徑對(duì)溫度裂縫指數(shù)的影響進(jìn)行了系統(tǒng)分析，得到承臺(tái)表面的抗裂性能會(huì)隨著鋼筋間距減小而增大的論證。最后，在所有論證分析的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)際工程提出了相應(yīng)的建議。