大体积非杆系混凝土承载板的配筋.pdf
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1、第 3 3卷第 1 期 Vo l | 3 3 No 1 水 利 水 电 科 技 进 展 2 0 1 3年 1 月 Ad v a n c e s i n S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y o f W a t e r Re s o u r c e s J a n 201 3 D O I : 1 0 3 8 8 0 j i s s n 1 0 0 6 7 6 4 7 2 0 1 3 0 1 0 1 3 大体积非杆系混凝土承载板的配筋 何 学, 汪基伟 , 冷 飞 ( 河海大学土木与交通学院, 江苏 南京2 1 0 0 9 8 ) 摘要 : 以实际工程为背
2、景, 采用模拟施工法和叠合梁法计算大体积非杆 系混凝土承载板 的应力, 讨 论两种方法所得结果的区别及不同弹性模量随时间变化的计 算公式对计算结果 的影响, 再按应力 图形法进行承载力配筋, 并采用钢筋混凝土有限元 法进行裂缝验算。计算结果表明: 采 用模拟施工 法计算时, 不同弹性模量随时间变化的计算公式对最大主拉应力与关键截面的主拉应力影响不 大; 虽然模拟施工法得到的拉应力最大值大于叠合梁法, 但 两者所得应力分布规律相同, 关键截面的主 拉应力和承载力所需的配筋量相近 ; 按应力图形法所配钢筋能满足裂缝宽度 的要求 ; 大体积非杆 系 混凝土承载板的配筋设计可采用简单的叠合梁法计算应力
3、分布 , 按应 力图形法配筋, 除特别重要 的 结构外一般 可不用钢筋混凝土有限元法进行裂缝 宽度计算。 关键词 : 大体积混凝土; 结构配筋; 模拟施工法 ; 叠合梁法 ; 应 力图形法; 有限元法 中图分类号: T U 3 7 5 2 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 6 7 6 4 7 ( 2 0 1 3 ) O l 一 0 0 5 8 0 4 R e i n f o r c e me n t o f ma s s i v e n o n - me mb e r c o n c r e t e b e a r i n g p l a t e HE X u e ,WA N G
4、J i w e i ,L E N G F e i( C o l l e g e o f C iv i l a n d T r a n s p o r t a t i o n E n g i n e e r i n g, H o h a i U n i v e r s i t y , N a n fi n g 2 1 0 0 9 8 ,C h i n a ) Ab s t r a c t : T h e s t r e s s o f m a s s i v e n o n m e m b e r c o n c r e t e b e a ri n g p l a t e i s c a l
5、c u l a t e d b a s e d o n a p r a c t i c a l p r o j e c t b y m e a n s o f t h e s i mu l a t i n g c o n s t r u c t i o n me t h o d a n d t h e c o mp o s i t e b e a m me t h o d T h e d i f f e r e n c e s b e t we e n t h e i r c alc u l a t e d r e s u l t s a s w e l l a s t h e i n flu
6、 e n c e s o f d i f f e r e n t f o r mu l a e f o r t h e v a ria t i o n o f e l a s t i c mo du l us wi t h t i me a r e d i s c u s s e dThe r e i n f o r c e me nt o f b e a r i n g c a pa c i t y i s d e t e rm i ne d b y u s e o f t he s t r e s s g r a p h i c me t h o d,a nd t h e c r a c
7、k wi d t h i s v e r i f i e d by me a ns o f t h e r e i n f o r c e d c o n c r e t e fi n i t e e l e me n t me t h o d (R CF E M) T h e r e s u l t s s h o w t h a t t h e mi mu m t e n s i l e p ri n c i F la l s t r e s s a n d t e n s i l e f o r c e o f t h e k e y c r o s s s e c t i o n a
8、r e n o t o b v i o u s l y a f f e c t e d b y t h e f o rm u l a f o r t h e v a ria t i o n o f e l a s t i c mo d u l u s wi t h t i me b y a p pl y i n g t he s i mu l a t i ng c o n s t ruc t i o n me t ho d Al t h o u Ig h t he ma x i mum t e n s i l e p rin c i pa l s t r e s s y i e l de d
9、b y t he s i mul a t i n g c o n s t ruc t i o n me t h o d i S l a r g e r t h a n t h a t b y t h e c o mp o s i t e b e a m me t h o dt h e d i s t ri b u t i o n l a w s o f t h e i r c a l c u l a t e d s t r e s s e s a r e t h e s a me,a n d t h e i r t e n s i l e f o r c e s a n d r e i n f
10、 o r c e me n t s o f b e a ri n g c a p a c i t y o f t h e k e y c r o s s s e c t i o n a r e v e r y c l o s e T h e r e i n f o r c e me n t a c c o r d i n g t o t h e s t r e s s g r a p h i c me t h o d c a n me e t t h e r e q u i r e me n t s o f c r a c k wi d t h c o n t r o 1 T h e d i
11、s t rib u t i o n o f s t r e s s o f ma s s i v e n o n me mb e r c o n c r e t e b e a r i n g p l a t e c a n b e c a l c u l a t e d b y me a n s o f t h e s i mp l e c o mp o s i t e b e a m me t h o d,a n d t h e r e i n f o r c e me n t c a n b e d e t e r mi n e d b y u s e o f t h e s t r e
12、 s s g r a p h i c me t h o d I t i S n o t n e c e s s a r y t o e mp l o y RC F EM t o v e ri f y t h e c r a c k wi d t h for s i mi l a r s t r u c t u r e s e x c e p t s p e c i a l o n e s Ke y wo r d s :ma s s i v e c o n c r e t e ;s t ruc t u r a l r e i n f o r c e me n t ;s i mu l a t i
13、n g c o n s t ruc t i o n me t h o d;c o mp o s i t e b e a m me t h o d;s t r e s s g r a ph i c me t ho d;fini t e e l e me n t me t ho d 工程中处理水 电站坝基内深槽的一般方法是先 用混凝土替换 , 再浇筑坝体。某工程为加快施工进 度 , 提出采用钢筋混凝土承载板洞挖全置换混凝 土 方法处理深槽 , 具体 为: 横跨深槽设 置厚 1 3 5 i n 的钢筋混凝土承载板 ; 坝前设置防渗体; 浇筑上 部坝体混凝土 , 同时挖除承载板下方深槽 内的砂卵 砾石
14、 ; 深槽 内回填混凝土并灌浆 。在这种处理方 式中, 承载板承担了上部两个坝段的自重, 并将其传 递至深槽两边的基岩之上 , 是关键承重结构 , 因此承 载板的配筋设计是置换混凝土法成功的关键。 承载板属于大体积非杆系混凝土结构 , 一般按 应力图形法进行配筋 , 对重要 的非杆系混凝土结构 还宜采 用钢 筋混 凝 土 有 限元法 进 行裂 缝 控 制验 算 引。 按应力图形配筋首先要合理确定承载板的最不 利应力分布 , 因此本文采用模 拟施工法和叠合梁法 对承载板的应力分布进行计算 , 讨论两种方法及不 同弹性模量 随时 间变化计算公式对计 算结果 的影 作 者简介 : 何学 ( 1 9
15、8 7一) , 男 , 江苏昆山人 , 硕士研究生 , 主要从事混凝土结 构研究 。E - m a i l : h x h e x u e 1 6 3 e o m 58 水利水电科技进展 , 2 0 1 3, 3 3 ( 1 ) T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E ma i l h h u e d u C n h t t p : k k b h h u e d u 响; 再采用钢筋混凝土有限元法模拟施工过程 , 计算 裂缝开展 , 进行裂缝宽度验算 。 1 计 算模 型与计算条件 选取最危险剖面 , 按平面应变问题进行计算 , 剖 面尺寸见图 1 。承载板分 5层浇
16、筑, 其高度分别为 6 0 m、 1 5 I l l 、 2 0 m、 3 0 m和 3 0 m; 坝体碾 压混凝 土以每层高度 3 0 m浇筑 , 有 l 4层 , 即承载板加坝 体共分 1 9层浇筑 。线性与非线性计算均模拟分层 浇筑的施工过程。 0 3 图 1 计算 剖面 示意图 ( 单位 : m) 模型取 1 n l 宽 , 基 础深 取承 载板 底 高程 向下 8 6m, 基础宽取从承载板底部 向左右各延长 1 2 0 m。 基础 的底部 、 左右侧均布置法向链杆支座。 计算采用汪基伟等 自行研 制 的钢筋 混凝土 有限元软件 Ho h a i R C F E P , 该 程序 已应
17、 用于较多工 程的配 筋 研 究 。承 载 板 、 坝体 与 基 岩 均 采 用 4 8结点等参单元 , 本文需计算 裂缝宽度 , 承载板 的网格 , 特别是裂缝出现区域划分得很密 , 考虑到裂 缝垂直方 向 出现, 因此水平 方 向单元 尺 寸不 大于 6 5 m m, 在垂直方向大一些 , 不大于 1 0 0mm。 非线性计算时 , 考虑钢筋的作用 , 主要受力钢筋 采用分离式单元模型计算 , 其中钢筋采用杆单元 , 黏 结单元采用双弹簧单元 ; 其他钢筋采用带黏结滑移 埋置式单元 。承载板采用等效单轴应变本构模 型 模拟 ; 钢筋采用带硬化段 的弹塑性模型模拟 ; 钢筋与混凝土黏结滑移
18、曲线采用 Ho u d e公式 计 算, 并筋钢筋的表面积乘 0 5的系数; 基岩、 坝体混 凝土、 砂砾石仍按线性材料计算。 坝体 混 凝 土 2 8 d弹性 模 量 2 8 G P a , ? 白松 比 0 1 6 , 密度 2 5 0 0 k g m ; 基岩弹性模量 1 4 G P a , 泊松 比0 2 6 , 在承载板浇筑前基 岩沉降 已完成 , 故不考 虑 自重 ; 砂砾石弹性模量 8 0MP a , 泊松 比0 3 0 , 不考 虑 自重。 承载板混凝 土按 C 2 5计算, 2 8 d弹性模 量 E ( 2 8 ) =2 8 G P a 。混凝土弹性模量随时间的变化分 别采用
19、式 ( 1 ) 和式 ( 2 ) 计算 , 以分析弹性模量随时间 变化采用不 同公式计算对应力的影 响 , 其 中式 ( 1 ) 为S L 1 9 1 -2 0 0 8 ( 水工混凝土结构设计规范 中的公 式 ; 式( 2 ) 为经验公式。 E ( t ) =1 4 4 1一e x p ( 一0 4 1 t ) E 。 ( 2 8 ) ( 1 ) E ( ) =4 31 o ( 2 ) 式 中: t 为龄期。 非线性计算时材料强度取标准值 , 承载板混凝 土 2 8 d抗拉强度标 准值 k ( 2 8 ) =1 7 8 MP a , 2 8 d抗 压 强 度 标 准 值 厶 ( 2 8 )=
20、1 6 7 0 MP a ; 钢 筋 采 用 HR B 3 3 5 , 弹性模量 E = 2 0 0 G P a 。 2 线性计算 2 1 模拟施工法计算 模拟施工法是模拟分层浇筑的施工过程 , 并考 虑弹性模量随时间变化的计算方法。每浇筑层间隙 时间为 7 d , 计算步长取 1 d , 弹性模量取该时段的平 均值。计算起点为第 1浇筑层浇筑的第 1天 , 计算 终点为最后浇筑层浇筑后第2 8 天。 第 1 层混凝土浇筑后 , 承载板底 部 ( A区) 、 上 部肩部( B区、 C区) 受拉 , 而且上部肩部的主拉应力 大于底部( 图 2 ( a ) ) 。第 2层混凝土浇筑后 , 承载板
21、底部的主拉应力已大于上部肩部的主拉应力 ( 图 2 ( b ) ) 。此后 , 各层混凝土浇筑后 , 主拉应力最大值 均出现于承载板底部 , 见图 2 ( c ) 。 0 1 8 ( a ) 第1 层混凝 土浇筑 后第 7 天 ( b ) 第2 层混凝 土浇筑 后第7 天 【 c ) 第 1 9 层混凝土浇筑后第 1 4 天 图 2 模拟 施工法得 到的承载 板主拉应 力 等值线( 单位: M P a 2 2 叠合梁法计算 叠合梁法仍模拟分层浇筑的施工过程, 但不考 虑弹性模量随时间的变化。假定承载板的第 1 层 自 重全部 由岩基均匀承担 , 不在本层 内产生应力。计 算开始于第 2层浇筑后
22、 , 这时第 1层 的弹性模量取 为 2 8 d的弹性模量 , 第 2层的 自重按作用于第 1层 水利 水电科技进展 , 2 0 1 3, 3 3 ( 1 ) T e l : 0 2 5 8 3 7 8 6 3 3 5 E - m a i l : h h u e d u c a h t tp: k k b h h u e d u c n 59 顶面的分布荷载施加; 第 3层浇筑后 , 第 2层的弹性 模量取为 2 8 d的弹性模量 , 第 3层的 自重按作用 于 第 2层顶面的分布荷载施加 ; 其他各层 , 以此类推。 第 1 层浇筑、 将第 2层 自重作为分布荷载施加 后 , 承载板底部 、
23、 上部肩部受拉 , 而且上部肩部 的主 拉应力大于底部。第 2层浇筑 、 将第 3层 自重作为 分布荷载施加后 , 承载板底部 的主拉应力 已大于上 部肩部 的主拉应力, 这时应力最大值 出现位置和模 拟施工法相同。图 3为第 1层浇筑、 将第 2层 自重 作为分布荷载施加后 , 第 1 8层浇筑 、 将第 1 9层 自重 作为分布荷载施加后的承载板主拉应力等值线 图。 ( a ) 第2 层 自重作为分布荷载施加到第l 层 时 f b 1 第l 9 层 自审作为分布 荷载施加到第1 8 层时 图 3 叠合梁法得到的承载板主拉应力 等值线( 单位: MP a ) 2 3 线性计算结果分析 表 1
24、给出了分别按模拟施工法和叠合梁法得 出 的各层浇筑完后承载板的最大主拉应力及其发生 的 位置和主拉应力在配筋方 向投影形成的合力 , 其 中, 模拟施工 1的弹性模量采用式( 1 ) 计算 , 模拟施工 2 的弹性模量采用式 ( 2 ) 计算。由表 1 可以看出: a 第 3层浇筑完成后 , 按上述 3种方法进行线 性计算得出的承载板最 大主拉应力 出现 的位 置相 同, 均出现于底拱中心附近 , 数值随着浇筑高程的增 加而增大, 即主拉应力分布规律与变化规律相 同。 b 当浇筑相 同的混凝土层时, 模拟施工 1 与模 拟施工 2得出的最大主拉应力相差都在 1 0 以内, 关键截面主拉应力在配
25、筋方 向投影形成的合力相差 也都在 1 0 以内。当混凝土浇筑完成后 , 主拉应力 值更为接近 , 分别为6 7 4 M P a 与 6 2 7 MP a , 相差 7 ; 合力也更为接近, 分别为 1 0 5 4 3 6 k N与 1 0 3 9 6 6 k N, 相差 1 4 。因此 , 弹性模 量计算公式不同对承载 板的应力影响不大。 c 叠合梁法得 到的主拉应力最大值明显小于 模拟施工法 , 叠合梁法与模拟施工 1 相 比, 在浇筑承 载板各层时, 两者 的主拉应力值相差 6 0 左右 ; 而 在浇筑坝体时 , 两者的主拉应力值相差也在 4 0 左 右 ; 在坝体浇筑完成后 , 两者相
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