CN108381742A

CN108381742A - 一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法

Info

Publication number: CN108381742A
Application number: CN201810041063.XA
Authority: CN
Inventors: 干伟忠; 曹鸿飞; 谭昱; 陈琦; 方小爱; 周小春
Original assignee: Zhejiang Zhoushan North To Big Channel Ltd Co; Ningbo University of Technology
Current assignee: Zhejiang Zhoushan North To Big Channel Ltd Co; Ningbo University of Technology
Priority date: 2018-01-16
Filing date: 2018-01-16
Publication date: 2018-08-10
Anticipated expiration: 2038-01-16
Also published as: CN108381742B

Abstract

本发明公开了一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，包括以下步骤：步骤一、将预制用混凝土灌入模具；步骤二、将模具的一端抬起，使模具与水平面形成倾角θ；步骤三、在倾斜状态下完成养护工作；步骤四、取出预制构件。本发明通过在倾斜状态下完成养护工作，来控制长预制构件的横向裂缝，其方法简单，设备易用，不改变原有的预制方法和工序；对预制构件的结构没有特殊要求，不需要对构件进行特殊加工，不破坏构件原有的结构和受力。

Description

一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法

技术领域

本发明涉及长混凝土预制构件建造技术领域，尤其指一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法。

背景技术

许多长(纵横比2:1以上)混凝土构件在早期容易出现由收缩受限引起的裂缝，该种裂缝的产生是混凝土工程的一个普遍的现象，给土木工程技术人员带来了极大的困扰。

在预制水平浇筑的长混凝土构件的生产过程中，由于混凝土的收缩变形效应，构件容易产生横向裂缝。该型裂缝主要由混凝土的收缩受到限制引起，由于现有的预制构件采用模具浇筑并水平养护，这势必会对混凝土的收缩有一定的限制作用，因此如何在混凝土收缩受到限制的情况下控制混凝土的横向裂缝是现有技术的一大难题。

现有的技术主要通过对材料、施工和养护措施进行优化，设置滑动层和优化钢筋设计来改善对混凝土的限制，施加早期预应力、设置缝隙等方式来主动抵抗收缩应力或释放收缩应力。这些方法通常需要额外的设备或构件，并且通常难以达到预期的效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的现状，提供一种操作方法简单，实施方便，不破坏构件原有结构和受力的一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：

一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，包括以下步骤：

步骤一、将预制用混凝土灌入模具；

步骤二、将模具的一端抬起，使模具与水平面形成倾角θ；

步骤三、在倾斜状态下完成养护工作；

步骤四、取出预制构件。

优化的技术措施还包括：

上述的步骤二中，倾角θ的确定：

θ _min(t)=arcsin{[ε _总(t)-ε _r] -{ε}/(ρgl/ E _c) }；

其中，ε _总(t)为理论构件温度与收缩的总变形，ε _r 为预制构件在模具的作用下产生的应变，{ε}为混凝土不开裂的最大容许应变，ρ为预制构件的密度；g 为重力加速度，l值取构件总长度的1/2，E _c 为混凝土的弹性模量。

ε _总(t)=ε _f(t)+ε _t，

其中ε _f(t)为任意时间的收缩变形是关于时间的函数:

ε _f(t)=ε _y ⁰·M ₁·M ₂ ···M _n ·(1 - e ^-bt)

时间t以天为单位；b为经验系数，取0.01或者0.03，ε _y ⁰为标准状态下的极限收缩，取值3.24×10^-4；M ₁, M ₂ ···M _n为考虑各种非标准条件的修正系数；

ε _t为长构件中部由于温度作用产生的应力最大应变:

ε _t = -αT [1- 1/ch(β·L/2)]

α为材料的线膨胀系数，L为构件的长度，β=(C _x/HE _c)^1/2, 其中C_x为水平阻力系数, H为构件高度；{ε}= R _f /E _c，R _f为混凝土的抗拉强度，E _c为混凝土的弹性模量。

上述的模具固定于一底座上，底座的一端与地面铰接配合。

上述的底座的一端通过支撑铰链与地面铰接配合，底座的另一端通过吊钩由吊机吊起。

上述的底座的一端通过支撑铰链与地面铰接配合，底座的另一端的底面与地面之间设置有钢臂支架，该钢臂支架上设置有液压千斤顶。

本发明一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，其方法简单，设备易用，不改变原有的预制方法和工序；对预制构件的结构没有特殊要求，不需要对构件进行特殊加工，不破坏构件原有的结构和受力，通过在倾斜状态下完成养护过程，即可控制预制构件在生产过程中的横向裂缝。

附图说明

图1是本发明实施例一的实施结构示意图；

图2是本发明实施例二的实施结构示意图；

图3是本发明具体应用实施例θ _min与养护时间的变化关系图。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1至图3所示为本发明的结构示意图，

其中的附图标记为：倾角θ、模具1、底座2、支撑铰链3、吊钩4、钢臂支架5、液压千斤顶6。

实施例一，如图1所示，

步骤一、将预制用混凝土灌入模具1；

步骤二、将模具1的一端抬起，使模具1与水平面形成倾角θ；

步骤三、在倾斜状态下完成养护工作；

步骤四、取出预制构件。

所述的步骤二中，倾角θ的确定：

θ _min(t)=arcsin{[ε _总(t)-ε _r] -{ε}/(ρgl/ E _c) }；

ε _总(t)=ε _f(t)+ε _t，

其中ε _f(t)为任意时间的收缩变形是关于时间的函数:

ε _f(t)=ε _y ⁰·M ₁·M ₂ ···M _n ·(1 - e ^-bt)

时间t以天为单位；b为经验系数，取0.01或者0.03，ε _y ⁰为标准状态下的极限收缩，取值3.24×10^-4，M ₁, M ₂ ···M _n为考虑各种非标准条件的修正系数；

ε _t为长构件中部由于温度作用产生的应力最大应变:

ε _t = -αT [1- 1/ch(β·L/2)]

所述的模具1固定于一底座2上，所述的底座2的一端通过支撑铰链3与地面铰接配合，所述的底座2的另一端通过吊钩4由吊机吊起。

本实施例中，由吊机通过吊钩4将底座2的一端吊起，从而使固定于底座2上的模具1与水平面形成倾角θ。

工作原理：

本申请主要针对控制长(纵横比2:1以上)构件收缩受限而产生裂缝，在外部约束的情况下，长预制或现浇构件容易产生由于收缩受限而引起的裂缝，用有限元软件对一段长构件的收缩变形进行模拟，其中对构件的底部设置边界条件，使其不能发生位移，其他部分自由收缩，发现构件顶部收缩自由，且应力最小，构件相同高度处，纵向中间段的应力较大，最易发生开裂，而构件的底部收缩受到限制，拉应力最大，容易从底部开始产生裂缝。

通过有限元软件对长构件进行水化热分析，结构显示构件表面的应力分布并没有显著的规律。再分析构件内部应力，发现构件内部应力较大，并且不仅在构件的长度方向，宽度方向也存在比较大的应力，这导致构件容易出现多个方向上的裂缝(纵向和横向)。但由于横向一般配筋较多，并且有重力产生的竖直压力作用，一般纵向裂缝较为少见，出现较多的仍然是横向裂缝。

通过以上的分析，可知混凝土由于收缩产生的裂缝和水化热产生的裂缝在构件表面与内部产生的应力并不一致，但容易产生的裂缝形态基本一致。因此本申请可以控制因为水化热及混凝土收缩等多种原因产生的横向裂缝。

混凝土在凝结前的变形可以认为是自由变形，由于约束尚不能对混凝土产生作用，因此不会产生内力。当混凝土凝结后，混凝土强度开始发展，在混凝土与内部钢筋或者模具的接触面粘结力的作用下，混凝土的收缩受到限制并产生相应的约束内力。混凝土的收缩原因可有多种，本申请主要考虑以收缩为主要因素而温度为次要作用。

根据王铁梦所著的《工程结构裂缝控制》(中国建筑工业出版社，1997)中关于水平浇筑的混凝土长构件温度收缩应力的计算理论可知，构件上收缩裂缝的开裂是有序的，当水平方向上的应变超过构件极限，会在构件的中部出现第一条裂缝，随之一块分成两块，每块构件又有了自己的水平应力分布并在各自的中部最易开裂。此外对于长构件来说，在较短的范围内，长度对应力影响较大，超过一定长度后，影响变微，其后趋近一常数，继之，无论长度如何增加，应力不变。而总的收缩受限产生的应力分析可以类比该方法，得到相同的结论。

由此可见在一定的构件长度下，只需要让最容易开裂部分的应变小于构件可承受极限，即可控制构件的纵向裂缝。

通过吊车将底座2的一端吊起，使模具1与水平面形成倾角θ，使一部分自身重力作用到构件截面上用以抵消部分收缩及水化热引发的温度梯度产生的拉应力，从而使截面最大主应变小于构件可承受的极限，即：

ε _x=ε _f - ε _r

ε _x ^* = ε _x - ρglsinθ / E _c < {ε}

上式中ε _x为将构件水平放置时混凝土实际应变；ε _f为总的自由变形应变，包括温度和收缩变形；ε _r为因约束而产生的拉伸形变；E _c为混凝土的弹性模量；ε _x ^*为倾斜后混凝土实际应变；ρ为预制构件的密度；g为重力加速度；θ为预制构件模具与水平的夹角；l为高于截面侧预制构件的长度；{ε}为混凝土不开裂的最大容许应变。

通过实验或查询已有的数据查询到预制构件用混凝土总的自由变形应变ε _f，其中任意时间的收缩变形是关于时间的函数：

ε _f(t)=ε _y ⁰·M ₁·M ₂ ···M _n ·(1 - e ^-bt)

其中ε _f(t)为任意时间的收缩，时间t以天为单位；b 为经验系数一般取0.01，养护较差时取0.03；ε _y ⁰为标准状态下的极限收缩，取值3.24×10^-4；M ₁, M ₂ ···M _n为考虑各种非标准条件的修正系数。

通过实验或者理论计算可以获得预制构件在该模具的作用下产生的应变ε _r。参考之前的分析结论，l值可以取构件总长度的1/2，查询构件用材料的数据可获得相关系数的数值，代入上式，取ε _总(t)为理论构件温度与收缩的总变形，可求出在任意时间状态下的θ _min(t)：

θ _min(t)=arcsin{[ε _总(t)-ε _r] -{ε}/(ρgl/ E _c) }

此外由于理论计算与生产实践存在一定误差，实际生产中θ取值可略大于计算所得θ _min(t)。

具体应用实施例:

现有长L=10m高H=1.5m的矩形长构件，弹性模量取值E _c =30000MPa；线膨胀系数取值α=0.00001/℃；构件与周围的温差，假定浇筑后t（该算例中的t全部以天计，并以计满24小时为1天，48小时为第2天，以此类推）时刻构件与环境温差为T=1℃；单独考虑收缩应力的情况下，假设被约束最大位置混凝土实际收缩量为ε _r =0.85ε _f；M ₁, M ₂ ···M _n全部取1，b取0.01。早期混凝土强度较低且持续将快速发展，为了简便计算取R _f=0.1MPa，ρ=2500kg/m³。

根据铁梦所著的《工程结构裂缝控制》（中国建筑工业出版社，1997），不考虑松弛系数的情况下，在长构件中部由于温度作用产生的应力最大应变为

ε _t = -αT [1- 1/ch(β·L/2)]

β根据查表取值并计算求得0.149m^-1，求得ε _t =2.23×10^-6。

代入ε _f(t)=ε _y ⁰·M ₁·M ₂ ···M _n ·(1 - e ^-bt)，求出t=1~7的ε _f(t)值，分别代入

θ _min(t)=arcsin[(0.15ε _f(t)+ε _t -R _f/E _c)/(ρgl/E _c)],(θ _min>0)

得到θ _min在t=1~7时刻的值如下：

浇筑后t时刻 / 天	1	2	3	4	5	6	7
								θ _min/ 度	0	0	5	11.52	18.14	24.94	32.07

θ _min与养护时间的变化关系图，如图3所示。

本申请通过计算收缩应变，并调整倾斜的角度，即可控制构件不会发生开裂；方法简单，实施方便。

实施例二，如图2所示，

本实施例中，预制构件横向裂缝的控制方法与实施例一中相同，所不同的是，本实施例中，所述的底座2的一端通过支撑铰链3与地面铰接配合，所述的底座2的另一端的底面与地面之间设置有钢臂支架5，该钢臂支架5上设置有液压千斤顶6。

本实施例中，通过液压千斤顶6来控制钢臂支架5的张开角度，从而使底座2的一端抬起，进而实现固定于底座2上的模具1与水平面形成倾角θ。

本发明的最佳实施例已阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。

Claims

1.一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，其特征是：包括以下步骤：

步骤一、将预制用混凝土灌入模具(1)；

步骤二、将模具(1)的一端抬起，使模具(1)与水平面形成倾角θ；

步骤三、在倾斜状态下完成养护工作；

步骤四、取出预制构件。

2.根据权利要求1所述的一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，其特征是：所述的步骤二中，倾角θ的确定：

θ _min(t)=arcsin{[ε _总(t)-ε _r] -{ε}/(ρgl/ E _c) }；

3.根据权利要求2所述的一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，其特征是：ε _总(t)=ε _f(t)+ε _t，

其中ε _f(t)为任意时间的收缩变形是关于时间的函数:

ε _f(t)=ε _y ⁰·M ₁·M ₂ ···M _n ·(1 - e ^-bt)

ε _t为长构件中部由于温度作用产生的应力最大应变:

ε _t = -αT[1- 1/ch(β·L/2)]

α为材料的线膨胀系数，L为构件的长度，β=(C _x/HE _c)^1/2, 其中C_x为水平阻力系数, H为构件高度，E _c为混凝土的弹性模量。

4.根据权利要求2所述的一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，其特征是：{ε}=R _f /E _c，R _f为混凝土的抗拉强度，E _c为混凝土的弹性模量。

5.根据权利要求1所述的一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，其特征是：所述的模具(1)固定于一底座(2)上，所述的底座(2)的一端与地面铰接配合。

6.根据权利要求4所述的一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，其特征是：所述的底座(2)的一端通过支撑铰链(3)与地面铰接配合，所述的底座(2)的另一端通过吊钩(4)由吊机吊起。

7.根据权利要求4所述的一种长混凝土预制构件横向裂缝的控制方法，其特征是：所述的底座(2)的一端通过支撑铰链(3)与地面铰接配合，所述的底座(2)的另一端的底面与地面之间设置有钢臂支架(5)，该钢臂支架(5)上设置有液压千斤顶(6)。