温度构造钢筋对早期混凝土结构裂缝控制的影响

温度构造钢筋对早期混凝土结构裂缝控制的影响
周立1田宇2陈长华3
1 河海大学土木学院，江苏省南京市 210098
2 河海大学土木学院，江苏省南京市 210098
3 北京建工集团有限责任公司党校，北京 100027
vzhouli@
摘要：本文简单分析了温度构造钢筋在早期混凝土结构裂缝在抗裂限裂方面的影响机理，从理论上探讨了温度裂缝控制措施，并从实践上验证了温度构造钢筋对削减早期混凝土结构的温度应力具有积极作用。

关键词：构造钢筋 温度应力 温度场
1.前 言
在混凝土浇筑初期，温度应力一直是威胁大体积混凝土结构开裂的重要因素，在混凝土中配置温度构造钢筋是现今常用的裂缝控制措施之一。

由于钢筋和混凝土的物理性质相差较大，所以，混凝土中配置钢筋之后，组合材料的性质如，弹模、比热、热传导系数、极限拉伸等较原混凝土而言都会有所不同，这就直接影响到结构的温度场、应力场及混凝土的强度和变形性能。

在大体积混凝土温控问题的有限元计算中，一般都不考虑钢筋的作用，只按素混凝土材料计算，造成计算模型与实际结构有一定偏差，不能得到合理的计算结果。

三叉河口闸墩施工期温度场和温度应力的研究结果显示，虽然工程采用了相关温控措施，但危险区的温度应力仍明显超出了容许应力，再根据以往工程经验，专家小组预测裂缝将会必然出现。

但在实际工程浇筑结束后60天内的观察结果发现，闸体表面并没有出现明显裂缝。

究其原因，主要是闸体内部配置了大量的温度钢筋。

2.配筋后混凝土热学性质的改变对结构温度场和温度应力的影响
钢材和混凝土的热工性能参数主要包括：导热系数、比热、容重和膨胀系数等。

其中，钢筋和混凝土两种材料的导热系数差别相对较大，一般两者相差在30-50倍左右，所以钢筋的配置可以明显提高混凝土的导热性能，并影响混凝土结构的温度场和温度应力。

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2.1混凝土热传导系数的改变对结构温度场的影响
文献[4]给出的钢材导热系数表达式如下：
⎩
⎨⎧+−=2.2848022.0T s λ )./()./(C m W C m W °°C T C T C °°≤≤°9009000; （2-1） 影响混凝土热传导系数的因素主要有骨料类型、水份含量以及混凝土的配合比等。

文献[4]则不考虑各种因素的影响，给出混凝土的热传导系数的公式如下：
⎩
⎨⎧+−=762.100124.0355
.1T c λ )/()/(C m W C m W °°C T C T C °°≤≤°2932930; (2-2）
下面分别对素混凝土和三种配筋率1%，2%，3%的钢筋混凝土构件进行早期温度场分析，比较热传导系数的改变对混凝土温度场的影响。

构件截面面积取0.04m 2
,长2m ，四周绝热，初始温度T 0=10℃,两端截面按第一类边界条件取恒温10℃。

混凝土热传导系数取8.59，钢筋热传导系数取258.0，每种配筋情况按两种计算模型（见下表2-1）建模计算，有限元模型分别见图2-1和图2-2。

)../(C h m kJ °)../(C h m kJ °表2-1： 计算模型
1 热传导系数在配筋方向加权平均 用SOLID70单元建模
2 用LINK33、SOLID70建模，用杆单元LINK33
模拟钢筋
图2-1 计算模型（SOLID70） 图2-2 计算模型（SOLID70、LINK33）
计算结果取中心节点291处分析，图2-3至2-5中曲线1的热传导系数按素混凝土计算；曲线2的热传导系数在配筋方向按加权平均考虑，计算模型如图2-1所示；曲线3计算中考虑用杆单元模拟钢筋的热传导系数，计算模型图2-2所示，这种材料模拟能较真实的反映出钢筋对温度场的影响情况。

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图2-6是四种配筋情况下（无配筋、配筋率1%、2%、3%），节点291处温度随龄期的变化曲线图。

通过对比可以得出，钢筋的加入提高了混凝土的导热性能，相同龄期下配筋率越高混凝土内部高温区域温度将会越低,温度梯度也更加的平缓。

2.2 混凝土热传导系数的改变对结构温度应力的影响
图2-7中曲线分别表示：在四种配筋情况下，钢筋混凝土中心点291处温度应力随龄期
由图2-7可以看出，混
凝土中配置钢筋后，混凝土
的导热性能得到提高，促进
了混凝土内部不同区域之间
的热量传递和热交换，减少
混凝土内部的温度梯度，从
而可以减小结构内部由于温
度不同引起的自应力。

通过
图2-7 结点291处温度应力
对以上钢筋混凝土构件温度场和温度应
力的分析比较，进一步证明了：钢筋的配置对防止混凝土裂缝是有利的。

另外，一般混凝土的比热大约是钢筋比热的三倍，因此，钢筋的加入还可以减小混凝土的比热，混凝土比热的减小可以使结构在水泥水化热速率一定的前提下，加快结构的升温速度，使结构与环境之间较早地形成较大的温度差，从而加快结构和环境之间的热量交换，促进混凝土内部热量的快速扩散，从而降低混凝土结构后期温度，减小结构后期由于整体降温收缩引起的整体应力。

3.总 结
由上面分析可知，对于早期混凝土来说，钢筋的配置可以提高混凝土的导热性能，减小混凝土的比热，混凝土这两种性能的改变，对于减小结构危险期的温度应力具有积极的作用，有利于早期混凝土的温控防裂。

参考文献
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The effect of anti-crack function of add-ons reinforcing steel for temperature stress in early concrete struture
Zhou Li Tian Yu Cheng Zhanghua
Civil Engineering Institue, Hohai Univercity, Nanjing（210098）
Civil Engineering Institue, Hohai Univercity, Nanjing（210098）
Party School in Beijing Construction Engineering Group Co., Ltd. (100027)
Abstract
In this paper analyzed the theory of The effect of anti-crack function of add-ons reinforcing steel for temperature stress in early concrete struture ,and proved in practice. it have a positive effect in the thermal stress.
Keywords:Add-ons reinforcing steel, Temperature stress, Temperature field
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