CN106021709A - 一种混凝土早期开裂风险的评估和控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，通过试验或经验获得混凝土弹性模量、抗拉强度、收缩随时间发展规律以及绝热温升曲线，建立混凝土热分析有限元模型，通过有限元计算得到每个时间点的每个节点的温度，代入混凝土力学分析有限元模型，得到每个时间段内每个节点对应的应力分量的变化值，在考虑应力松弛的基础上得到每个节点每个时刻的第一主应力，进而得到该节点的安全系数，当节点安全系数小于安全系数容许值时，认为结构存在开裂风险，调整计算参数，重新进行计算，直到结构处于安全范围为止，裂缝控制措施依照调整后的计算参数。本发明综合考虑应力历史对混凝土应力的影响，比单纯考虑混凝土前后状态，计算精度更高。

Description

一种混凝土早期开裂风险的评估和控制方法

技术领域

本发明属于建筑业、土木工程、水利工程领域，尤其涉及一种混凝土早期开裂风险的评估和控制方法。

背景技术

控制混凝土裂缝是工程领域的一个难题，通过有限元计算系统对混凝土结构的开裂风险进行分析，根据计算结果对裂缝控制的措施提出建议，是一种较为有效的控制裂缝的方法。目前使用较为普遍的有限元计算方法有两种，一种是只进行水化热计算，通过温度判断结构物的开裂风险，这种方法没有考虑结构在力学上的特性，具有较大的弊端；一种是先进行水化热分析后进行结构应力分析，但是应力分析时只考虑初始时刻和计算时刻的状态，忽略中间过程对结果的影响，但是实际上中间过程对结构的应力有较大的影响，因此该种分析也存在一定的缺陷。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对目前进行混凝土早期应力计算无法考虑应力历史的影响、准确性低的问题，提供一种混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，该方法考虑了中间过程对混凝土最终应力的影响，结果更为准确可靠。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，包括以下步骤：

(1)根据试验或者经验确定混凝土弹性模量、抗拉强度、收缩随时间的发展规律以及混凝土的绝热温升曲线；

(2)建立结构热分析有限元模型，设定边界条件和材料属性，根据绝热温升曲线得到每个时间段内混凝土的放热量，进行有限元计算，导出每个时间点的每个节点对应的温度；

(3)建立结构力学分析有限元模型，设定边界条件，导入每个时间点的每个节点对应的温度，根据弹性模量与时间发展规律，求出每个时间段对应的混凝土弹性模量，定义混凝土每个时间段的材料属性，根据收缩随时间的发展规律，得到材料每个时间段内的收缩量，折算成当量温度，结合该节点该时间段初始时刻和结束时刻温度，得到该时间段内综合温度变化，作为温度荷载，加载在该节点上，有限元计算得到该时间段内应力变化值时，将每个节点的在该时间段内各个应力分量的变化值导出；

(4)根据相关规范给出的应力松弛系数计算每个节点每个时间点的各个应力分量的合值，根据每个时间点应力分量的合值得到每个节点每个时刻对应的第一主应力，根据抗拉强度与时间发展规律，得到混凝土各个时间点的抗拉强度，与其第一主应力相除，得到每个节点安全系数，当某个节点安全系数小于安全系数容许值，认为结构存在开裂风险；

(5)根据计算结果，调整混凝土绝热温升曲线、混凝土收缩规律或养护手段，重复上述步骤(2)、(3)、(4)的计算，直到所得安全系数满足要求，根据调整后的混凝土绝热温升曲线和收缩规律就混凝土配制提出控制措施一，根据调整后的养护手段就施工养护提出控制措施二，控制混凝土处于安全范围内。

优选地，步骤(1)中弹性模量、抗拉强度随时间的发展规律关系式如下：

X(t)＝X_inf(1-exp(-K·t)) (1)

式中，X(t)为混凝土在等效龄期为t时的力学性能(弹性模量、抗拉强度)；X_inf为混凝土的最终力学性能，即当t→t_∞时的力学性能，X_inf、K为待定参数，通过试验数据或经验确定。

优选地，步骤(1)中收缩随时间的发展规律和混凝土绝热温升曲线采用公式(1)或者通过试验数据线性插值得到。

优选地，步骤(3)中当量温度变化与收缩量的关系式如下：

ΔT_i＝Δε_i/α

式中：ΔT_i为i时间段内收缩量折算的温度变化值，Δε_i为i时间段内混凝土收缩率，α为混凝土的膨胀系数。

优选地，步骤(4)中应力分量的合量的计算公式：

${\mathrm{\σ}}_{im}^k=\underset{j=1}{\overset{i}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\σ}}_{jm}^k{H}_{ij}$

式中，为i时间点的第m个节点的第k个应力分量的合量，为j时间段内该节点的应力分量增加量，H_ij为j时间点加载到i时间点的应力松弛系数。

优选地，步骤(4)中第一主应力的计算公式：

$\left|\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_{im}^1-{\mathrm{\σ}}_n& {\mathrm{\σ}}_{im}^4& {\mathrm{\σ}}_{im}^6\\ {\mathrm{\σ}}_{im}^4& {\mathrm{\σ}}_{im}^2-{\mathrm{\σ}}_n& {\mathrm{\σ}}_{im}^5\\ {\mathrm{\σ}}_{im}^6& {\mathrm{\σ}}_{im}^5& {\mathrm{\σ}}_{im}^3-{\mathrm{\σ}}_n\end{array}\right|=0$

式中：σ_n是矩阵的特征解，第一主应力为特征解中最大解，为i时间点的第m个节点在x、y、z、xy、yz、xz方向的应力分量的合量。

优选地，步骤(4)中安全系数的计算公式：

$\mathrm{\μ}=\frac{\left|{\mathrm{\σ}}_i\right|}{{\mathrm{\σ}}_i^0}$

式中：μ是安全系数，|σ_i|是混凝土i时间点的抗拉强度，是某节点n时间点的第一主应力。

优选地，步骤(5)中控制措施一主要是：通过调整混凝土的配合比，使混凝土的绝热温升曲线、收缩规律符合抗裂的要求；控制措施二主要是：加强养护，推迟拆模的时间，拆模及时覆膜养护。

与现有的混凝土早期应力计算方法相比，本发明具有以下特点和有益效果：

1、本发明先进行水化热分析后进行应力分析最后进行数据处理，应力分析时采用迭加的方式，即某时刻的应力是该时刻之前所有时间段应力的累积，迭加时考虑应力松弛的影响，考虑应力历史对混凝土应力的影响，比单纯考虑初始状态的计算方法，计算精度更高；

2、本发明整个计算过程分别利用有限元模型、计算系统，充分利用每种计算模块的优点，操作更为便利。

附图说明

图1是本发明实施例中心点应力计算方法和传统计算方法的对比示意图；

图2是本发明实施例顶面应力计算方法和传统计算方法的对比示意图。

具体实施方式

下面根据具体实施例对本发明作进一步详细的说明。

本发明所述的混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，包括以下步骤：

(1)根据试验或者经验确定混凝土弹性模量、抗拉强度、收缩随时间的发展规律以及混凝土的绝热温升曲线；

(2)建立结构热分析有限元模型，设定边界条件和材料属性，根据绝热温升曲线得到每个时间段内混凝土的放热量，进行有限元计算，导出每个时间点的每个节点对应的温度；

(3)建立结构力学分析有限元模型，设定边界条件，导入每个时间点的每个节点对应的温度，根据弹性模量与时间发展规律，求出每个时间段对应的混凝土弹性模量，定义混凝土每个时间段的材料属性，根据收缩随时间的发展规律，得到材料每个时间段内的收缩量，折算成当量温度，结合该节点该时间段初始时刻和结束时刻温度，得到该时间段内综合温度变化，作为温度荷载，加载在该节点上，有限元计算得到该时间段内应力变化值时，将每个节点的在该时间段内各个应力分量的变化值导出；

(4)根据相关规范给出的应力松弛系数计算每个节点每个时间点的各个应力分量的合值，根据每个时间点应力分量的合值得到每个节点每个时刻对应的第一主应力，根据抗拉强度与时间发展规律，得到混凝土各个时间点的抗拉强度，与其第一主应力相除，得到每个节点安全系数，当某个节点安全系数小于安全系数容许值，认为结构存在开裂风险；

(5)根据计算结果，调整混凝土绝热温升曲线、混凝土收缩规律或养护手段，重复上述步骤(2)、(3)、(4)的计算，直到所得安全系数满足要求，根据调整后的混凝土绝热温升曲线和收缩规律就混凝土配制提出控制措施一，主要是：通过调整混凝土的配合比，使混凝土的绝热温升曲线、收缩规律符合抗裂的要求；根据调整后的养护手段就施工养护提出控制措施二，主要是：加强养护，推迟拆模的时间，拆模及时覆膜养护，控制混凝土处于安全范围内。

某大体积混凝土尺寸为6.5m×6.5m×6.5m，设计强度等级为C50，施工时间在1月中旬。对比本发明方法和传统方法的应力，中心点应力对比计算结果如图1所示，顶面应力对比如图2所示。

根据图1、图2所示，本发明所计算出的应力与传统方法相比，应力大小与方向均有较大的区别，因此有必要舍弃原有的计算方法。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。而这些属于本发明的精神所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据试验或者经验确定混凝土弹性模量、抗拉强度、收缩随时间的发展规律以及混凝土的绝热温升曲线；

(2)建立结构热分析有限元模型，设定边界条件和材料属性，根据绝热温升曲线得到每个时间段内混凝土的放热量，进行有限元计算，导出每个时间点的每个节点对应的温度；

(3)建立结构力学分析有限元模型，设定边界条件，导入每个时间点的每个节点对应的温度，根据弹性模量与时间发展规律，求出每个时间段对应的混凝土弹性模量，定义混凝土每个时间段的材料属性，根据收缩随时间的发展规律，得到材料每个时间段内的收缩量，折算成当量温度，结合该节点该时间段内初始时刻和结束时刻温度，得到该时间段内综合温度变化，作为温度荷载，加载在该节点上，有限元计算得到该时间段内应力变化值时，将每个节点的在该时间段内各个应力分量的变化值导出；

(4)根据相关规范给出的应力松弛系数计算每个节点每个时间点的各个应力分量的合量，根据每个时间点应力分量的合量计算得到每个节点每个时刻对应的第一主应力，根据抗拉强度与时间发展规律，得到混凝土每个时间点对应的抗拉强度，与其第一主应力相除，得到每个节点安全系数，当节点安全系数小于安全系数容许值，认为结构存在开裂风险；

(5)根据计算结果，调整混凝土绝热温升曲线、混凝土收缩规律或养护手段，重复上述步骤(2)、(3)、(4)的计算，直到所得安全系数满足要求，根据调整后的混凝土绝热温升曲线和收缩规律就混凝土配制提出控制措施一，根据调整后的养护手段就施工养护提出控制措施二，使混凝土开裂处于可控范围内。

2.如权利要求1所述的混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，其特征在于：步骤(1)中弹性模量、抗拉强度随时间的发展规律关系式如下：

X(t)＝X_inf(1-exp(-K·t)) (1)

式中，X(t)为混凝土在等效龄期为t时的力学性能；X_inf为混凝土的最终力学性能，即当t→t_∞时的力学性能，X_inf、K为待定参数，通过试验数据或经验确定。

3.如权利要求2所述的混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，其特征在于：步骤(1)中收缩随时间的发展规律和混凝土绝热温升曲线采用公式(1)或者通过试验数据线性插值得到。

4.如权利要求1所述的混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，其特征在于：步骤(3)中当量温度变化与收缩量的关系式如下：

ΔT_i＝Δε_i/α

式中：ΔT_i为i时间段内收缩量折算的温度变化值，Δε_i为i时间段内混凝土收缩率，α为混凝土的膨胀系数。

5.如权利要求1所述的混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，其特征在于：步骤(4)中应力分量的合量的计算公式：

${\mathrm{\σ}}_{im}^k=\underset{j=1}{\overset{i}{\Σ}}{\mathrm{\Δ\σ}}_{jm}^k{H}_{ij}$

式中，为i时间点的第m个节点的第k个应力分量的合量，为j时间段内该节点的应力分量增加量，H_ij为j时间点加载到i时间点的应力松弛系数。

6.如权利要求1所述的混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，其特征在于：步骤(4)中第一主应力的计算公式：

$\left|\begin{array}{ccc}{\mathrm{\σ}}_{im}^1-{\mathrm{\σ}}_n& {\mathrm{\σ}}_{im}^4& {\mathrm{\σ}}_{im}^6\\ {\mathrm{\σ}}_{im}^4& {\mathrm{\σ}}_{im}^2-{\mathrm{\σ}}_n& {\mathrm{\σ}}_{im}^5\\ {\mathrm{\σ}}_{im}^6& {\mathrm{\σ}}_{im}^5& {\mathrm{\σ}}_{im}^3-{\mathrm{\σ}}_n\end{array}\right|=0$

式中：σ_n是矩阵的特征解，第一主应力为特征解中最大解，为为i时间点的第m个节点在x、y、z、xy、yz、xz方向的应力分量的合量。

7.如权利要求1所述的混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，其特征在于：步骤(4)中安全系数的计算公式：

$\mathrm{\μ}=\frac{\left|{\mathrm{\σ}}_i\right|}{{\mathrm{\σ}}_i^0}$

式中：μ是安全系数，|σ_i|是混凝土i时间点的抗拉强度，是某节点i时间点的第一主应力。

8.如权利要求1所述的混凝土早期开裂风险的评估和控制方法，其特征在于：步骤(5)中控制措施一主要是：通过调整混凝土的配合比，使混凝土的绝热温升曲线、收缩规律符合抗裂的要求；控制措施二主要是：加强养护，推迟拆模的时间，拆模及时覆膜养护。