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1、吴胜兴 教授 河海大学土木与交通学院 2010年8月27日,现代混凝土结构间接作用裂缝,烟台会议,现代混凝土结构裂缝越来越严重的原因,2,4,3,1,引言,主要内容,混凝土结构间接作用裂缝的控制,5,解决间接作用裂缝问题的主要困难,河海大学开展的相关工作,18:20,3,混凝土结构裂缝是正常现象 重大工程设计也经常出现一些自相矛盾的地方 预应力混凝土不可能完全解决裂缝问题,1 引言,18:20,4,钢筋混凝土结构的裂缝与生倶来,引言(1-3),一是砼材料的固有特性决定的，抗压强度高，抗拉强度低。 二是钢筋砼结构只有在砼开裂后钢筋才发挥作用。,三是严格控制砼结构不出现裂缝是可以的，但要付出相应的
2、经济代价。,18:20,5,工程设计基本概念有问题,引言(2-3),以某大型桥梁承台为例 (1) 1.8米范围内；9层钢筋，双向 (2) 每米5捆，每捆二根，直径40m (3) 不允许出现裂缝，自相矛盾；影响施工质量 (4) 工程设计概念不对，忘记工程基本常识,18:20,6,预应力混凝土结构原理图,引言(3-3),预应力砼不能完全解决问题,教科书上讲：要想从根本上解决裂缝问题，采用预应力结构 事实情况：在施工期预应力还没有施加，就出现了裂缝 部分预应力：允许出现裂缝 经济性差：依靠预应力技术解决裂缝经济性差。,18:20,7,设计规范 结构尺寸 新型材料 施工方法 住房政策 媒体作用,2 现
3、代混凝土结构裂缝问题越来越严重的原因,18:20,8,现有规范只能计算荷载作用下的裂缝宽度 对非荷载作用下的裂缝不要求计算 通过简单的构造措施控制裂缝 最大伸缩缝间距、最小配筋率、构造钢筋等 大部分裂缝是非荷载因素的间接作用 温度、收缩、钢筋锈蚀、内外约束、不均匀沉降等,设计规范的问题(1-6),18:20,9,结构超长、越宽、超高和超厚 结构形态复杂美观设计要求，错落有致 约束强 温差大,结构尺寸的影响(2-6),三峡大坝,南京长江二桥,浦东陆家嘴地区,18:20,10,材料组成多样化 掺合料、外加剂 高性能化 早期更易收缩和开裂，后期易劣化 配合比 生产商品化 泵送、混凝土收缩大 品质高要
4、求化,新型材料的问题(3-6),18:20,11,施工进度快 养护不到位 拆模太早 偷工减料,施工方面的问题(4-6),18:20,12,住房商品化 房价相对高 维权意识强,住房制度的改革(5-6),18:20,13,网络 电视 报纸 追求轰动效应，断章取义,媒体的推波助澜(6-6),18:20,14,一是算不准。 不同的人算出来的结果不一样，相差十万八千里，使得别人不相信。 例：拉应力18MPa，不可能，不同的人计算结果相差很大，不知哪个是对的。 二是出不了大问题 间接作用裂缝通常影响正常使用，对承载力短期内影响不大，因此得过且过，能糊就糊(浆糊糊桥梁？)。,3 解决间接作用裂缝问题的主要困
5、难(1-2),18:20,15,三是影响因素实在太多 影响规律没有完全弄清楚，自然解决不了。如混凝土热线膨胀系数通常情况下可近似取为10106/；若已知粗骨料，是(7-12)106/；早期硬化过程是变化的，如图所示。 再如徐变和应力松驰必须考虑，但很复杂，一般人都搞不清楚，还有20MPa的拉应力早开裂了，不能按弹性进行计算，失真太严重。,四是工程设计、施工单位和业主舍不得花钱去解决问题 一方面既要马儿好，又不让马儿吃草，所以解决不好。 另一方面设计人员怕麻烦，知识要更新，所以阻力很大。,3 解决间接作用裂缝问题的主要困难(2-2),18:20,16,总的原则,材料控制,参数确定,设计控制,施工
6、控制,4 混凝土结构间接作用裂缝的控制,运行控制,18:20,17,1 一般规定,控制原则,间接作用大小确定,运行控制措施,可控性原则,综合性原则,真实性原则,后评价原则,间接作用分析方法,控制角度,施工控制措施,设计、施工、运行,控制方法和指标,管理方法和措施,工程实际或估算,瞬态或简化计算,18:20,18,2.1 原材料选择,2 原材料选择与配合比优化,2.2 配合比优化,18:20,19,2.1 原材料选择,骨料选择,掺合料选择,其它,粗骨料选择,细骨料选择,外加剂选择,水泥选择,钢筋选择,类型、用量,粉煤灰选择,矿粉选择,硅粉选择,18:20,20,2.2.1 优化的原则 2.2.2
7、 优化的指标 2.2.3 配合比优化试验,2.2 配合比优化,18:20,21,3.1 线膨胀系数 3.2 导热、导温和比热系数 3.3 表面放热系数 3.4 混凝土绝热温升 3.5 早期自收缩 3.6 干燥收缩 3.7 徐变系数 3.8 松弛系数 3.9 极限拉应变 3.10 抗拉强度,3 混凝土的热学、力学、变形等参数确定,18:20,22,4.1 分析方法 4.2 工况组合,4 混凝土抗裂设计,4.1 抗裂设计分析方法 计算方法 非线性有限元（三维实体结构) 材料性能（热学、力学、变形） 环境因素（温度、湿度、日照、寒潮、风速） 施工措施（内外约束、保温保湿、水管冷却） 简化计算 重要工
8、程初步设计或一般工程 典型部位（侧墙、底板、纵梁、端部大体积） 不利工况组合 不同部位、不同约束形式 施工期（水泥水化、自收缩、保温保湿） 运行期（日照、暴雨、寒潮）,18:20,24,开裂危险性评价 约束应变计算 温差计算 约束系数计算,间接作用简化计算方法,开裂危险性评价,约束应变通用简化计算方法 侧边连续外部约束 均匀温差作用 自收缩作用 端部约束 均匀温差作用 自收缩作用 内部约束 里表温差作用 干燥收缩作用,18:20,27,温度与温差计算,平均气温 浇筑温度,绝热温升 风 速,截面最高温度,内外最大温差,18:20,28,外部约束系数计算,弹模比,被约束体高度 被约束体宽度 约束体
9、高度,18:20,29,不同内外温差分布程度,不同内部约束系数,内部约束系数计算,18:20,30,4.2 施工和运行阶段不利工况组合表,开裂机理 开裂应变简化计算公式 外部约束 宜考虑工况（冬季施工、夏季施工） 计算公式（均匀温降、自收缩） 内部约束 宜考虑工况（冬季施工、夏季施工、暴雨、寒潮） 计算公式（内外温差、干燥收缩）,例：墙体抗裂设计,18:20,32,5.1 选择施工方法 5.2 控制入仓温度 5.3 进行表面保温 5.4 埋设冷却水管 5.5 制定养护措施 5.6 混凝土温湿度监控 5.7 施工管理,5 间接作用裂缝施工控制措施,施工控制方法,18:20,33,6.1 定期检查
10、 6.2 及时报警 6.3 建立管理档案,6 运行管理,18:20,34,试验研究 试验室、仪器、方法和内容 数值仿真 过程实测 承担课题 研究生论文 主要成果,5 河海大学开展的相关工作,18:20,35,试验室建设-试验研究,大型多功能人工气候模拟环境实验室,18:20,36,拉伸徐变测试装置,热膨胀系数测试装置,早期热膨胀系数测试装置,试验装置开发-试验研究,18:20,37,早期热膨胀系数 早期导温和导热系数 早期弹性模量 早期徐变 早期自收缩 早期抗拉强度 施工措施,研究内容和方法-试验研究,18:20,38,混凝土早期热膨胀系数,18:20,39,水泥基材料导热/导温系数,18:2
11、0,40,混凝土早期弹性模量研究,18:20,41,混凝土拉伸徐变系数实用预测模型,18:20,42,混凝土早期自收缩预测模型,18:20,43,施工措施对混凝土开裂性能的影响,模板类型 养护与保温措施 环境条件 水管冷却,18:20,44,平面杆件体系非线性有限元 平面连续体非线性有限元 空间杆件体系有限元 空间非线性有限元(二次开发) 空间非线性有限元(自主研发) 典型结构混凝土间接作用裂缝控制仿真分析系统,数值仿真,18:20,45,关键技术 二次开发,单元选择及开发 工具,施工期温度场,施工期徐变应力场,1、solid70、solid185、solid45 surf152、fluid1
12、16 2、APDL、UPFs、fortran,1、等效龄期、水化度 2、冷却水管二次加密技术及 具体实现,1、材料本构USERMAT3D.F子程序 2、徐变本构实现 3、施工过程模拟,空间非线性有限元二次开发(1),18:20,46,关键技术 二次开发,运行期温度场,运行期温度应力,湿度场及干缩应力,1、太阳辐射 2、温度边界条件（空气对流、 太阳辐射、寒潮、水边界）,热-应力顺序耦合,1、非线性湿度场及有关参数 2、湿度-干缩应力本构 3、湿度场及干缩应力仿真实现,空间非线性有限元二次开发(2),18:20,47,大体积混凝土底板 地下室侧墙 超长框架结构 大面积现浇楼板 高层建筑,典型结构
13、间接作用裂缝数值仿真分析系统,18:20,48,完成的裂缝控制相关工程 江苏省电网调度中心 无锡太湖明珠大厦 无锡世纪花园 南京卢龙山庄 连云港金海置业广场,过程实测-具体工程,18:20,49,过程实测-软件,18:20,50,过程实测-工法,18:20,51,十一五国家科技支撑计划重点课题 “大流量预应力混凝土渡槽设计和施工技术研究” 中的温度场模型试验和抗裂技术研究 国家自然科学基金项目“基于早期热、力学性能试验研究的混凝土早期裂缝控制技术” 水利部公益性行业专项研究经费“大坝混凝土早期热学、力学和变形性能研究” 国家自然科学基金项目“现代混凝土裂缝控制成套技术研究” 江苏省自然科学基金
14、项目“配筋对高强混凝土早期抗裂性能影响试验研究” 江苏省六大人才高峰项目“混凝土裂缝控制成套技术研究” 江苏省建管局项目“大体积混凝土裂缝控制实用化技术研究” 湍河渡槽人工模拟环境下抗裂性能试验与设计方法 沙河渡槽人工模拟环境下抗裂性能试验与设计方法,承担课题,18:20,52,渡槽试验,U形渡槽试验,矩形渡槽试验,18:20,53,徐强，博士，钢筋混凝土特种结构有限元配筋设计方法实用化研究 李云峰，博士，混凝土结构环境模拟试验技术及相关理论研究 谢丽，博士，混凝土早期自收缩的影响因素及预测模型研究 李骁春，博士，基于数值分析和工程经验的现代大体积砼裂缝控制实用技术 危鼎，博士，水泥基材料早龄
15、期热膨胀系数 赵海涛，博士，基于数值分析的大型混凝土渡槽开裂机理与防裂技术研究 王新杰，博士，早龄期混凝土基本拉伸徐变影响因素与预测模型的试验研究 黄杰，博士，现代混凝土早龄期热膨胀系数预测模型及其应用,博士论文,18:20,54,朱国忠，硕士，砌体结构温度裂缝机理与抗裂概念设计 张丽华，硕士，钢筋混凝土剪力墙结构温度裂缝机理及控制技术 刘宏伟，硕士，混凝土早龄期弹性模量无损检测初探 马龙，硕士，现代混凝土徐变的几个问题探讨 吴伟明，硕士，泵送混凝土约束收缩开裂性能评价试验研究 康庆，硕士，钢筋混凝土超长框架结构裂缝机理及控制技术 李骁春，硕士，高层建筑地下室侧墙温度裂缝机理及控制技术 易仁来
16、，硕士，高层建筑转换层温度裂缝控制研究 魏敏，硕士，大面积现浇楼盖结构裂缝机理及控制技术,硕士论文(1-2),18:20,55,沈伟，硕士，大体积混凝土基础裂缝施工控制技术及应用 李明，硕士，基于无损检测推求混凝土早龄期抗拉强度的方法及其应用 吴利华，硕士，矩形渡槽人工模拟环境抗裂性能试验研究 徐静伟，硕士，混凝土现浇板早期开裂机理及防裂设计方法研究 李杰，硕士，早期及硬化混凝土导温和导热系数试验研究 张莉，硕士，施工措施对混凝土温度场影响的试验研究与分析 张军，硕士，混凝土墙体早期开裂机理及防裂设计方法研究 胡珀，硕士，U型渡槽人工模拟环境抗裂性能试验研究 杨榕，硕士，基于改进圆环法评价膨胀
17、剂和聚丙烯纤维对砼早期收缩开裂性能的影响 解学娟，硕士，基于改进平板法评价膨胀剂和聚丙烯纤维对砼塑性收缩开裂性能的影响,硕士论文(2-2),18:20,56,专著 大型混凝土渡槽间接作用裂缝控制 规范 指南 大流量预应力混凝土渡槽间接作用裂缝控制指南 专利,主要成果,18:20,57,水工混凝土结构设计规范 水工混凝土结构设计手册 混凝土结构设计规范 混凝土裂缝部分/间接作用部分相关章节的编写,混凝土规范,18:20,58,(1)测定早期混凝土导热系数、导温系数的测试装置；ZL200820037766.7 (2)水泥基材料早龄期线性变形的测量装置；ZL200820185223.X (3)一种早
18、期混凝土导温、导热系数的测试装置；ZL200820185222.5,授权专利,18:20,59,(1)发明专利：测定早期混凝土导热系数、导温系数的测试装置及测试方法；受理号：200810122928.1 (2)发明专利：水泥基材料早龄期线性变形的测量装置及测量方法；受理号：200810124599.4 (3)名称：一种直接测定早龄期混凝土轴向拉伸强度的自平衡测试装置及测定方法 受理号：200910181394.4 (4)名称：一种浇筑端部不同连接方式混凝土轴拉试件的试模 受理号：200920047606.5 (5)名称：普通混凝土导温系数随龄期发展预测模型的构建方法 受理号：200910181389.3 (6)名称：普通混凝土导热系数随龄期发展预测模型的构建方法 受理号：200910181390.6,受理专利,欢迎批评指正!,