本发明属于土木工程领域，尤其涉及一种用于上部超长混凝土结构施工中的防裂方法。
背景技术：
：现阶段人们对建筑的需求特点是超长、大跨度结构，包括地下的超长大体积混凝土结构，如基础和底板等，上部的超长混凝土框架结构在现阶段建筑中被广泛使用，特别是超长混凝土楼板和梁，但其面临的一个主要问题是容易开裂，这是因为温度和收缩变形对超长混凝土结构产生的作用很大。近年来对于地下超长大体积混凝土结构的研究逐渐增多，其中以王铁梦为典型代表，然而上部超长混凝土结构受到的约束和温差影响不同于地下结构，包括所处环境和结构形式都有很大差别，截面小、结构长度过长是其一大特点，因此不适用地下大体积混凝土收缩应力计算的一些理论，但这种结构在收缩应力的影响下更容易产生开裂。目前对于上部超长混凝土结构的研究较匮乏，间歇法施工可以有效地减小这种结构收缩应力，防止结构开裂，是代替后浇带、缩短建设工期的新型施工技术，虽然已在很多工程实践中应用，但目前还没有完整的理论依据来控制施工以更好地防止上部超长混凝土结构开裂。技术实现要素：根据以上现有技术的不足，本发明提供了一种用于上部超长混凝土结构施工中的防裂方法，其能有效解决目前没有完整理论依据指导上部超长混凝土结构的施工以更好地防止其结构开裂的问题。本发明解决的技术问题采用的技术方案为：一种用于上部超长混凝土结构施工中的防裂方法，包括如下步骤，步骤1：选取上部超长混凝土结构作为实验数据，针对实验数据统计分析将混凝土结构收缩过程分为前期、中期和后期三个阶段，并提出前期中水化热温差δt1、中后期中干缩当量温差δt2和环境温差δt3的计算方法，初步回归了混凝土内部温差变化δt4和环境温差变化δt3之间的经验关系；步骤2：给出典型框架结构等效连续性约束的地基水平阻力系数，结合步骤1中的各温差提出典型框架结构最大约束应力σxmax的直接计算方法和基于等效连续性约束的框架结构最大约束应力σxmax的计算方法；步骤3：给出不同间歇时间对框架结构最大约束应力降低比例的对应关系，进而提出相应的间歇影响系数β(t)；同时得出，在间歇时间一定时，分块长度与框架结构最大约束应力降低值成负相关的规律；步骤4：计算相应间歇时间下的框架结构最大约束应力σ(t)xmax，σ(t)xmax＝σxmaxβ(t)；步骤5：根据步骤3和步骤4的结论，指导上部超长混凝土框架结构间歇施工中间歇时间和分块长度的选择。进一步地，步骤1的具体实现包括如下步骤：步骤①、计算水化热温差δt1其中，tmax是水化热最高温度，t稳定是水化热稳定后周围的温度；计算干缩当量温差δt2εy(t)＝ε0*m1*m2…m11(1-e-bt)(1-2)，其中，εy(t)是任意时间的收缩，b取值与养护条件有关，时间t以天为单位，从浇筑时起到计算时止；ε0为最终收缩，标准状态为3.24*10-4；m1…m11为考虑各种非标准条件的修正系数；α混凝土热膨胀系数，取1*10-5；步骤②、计算环境温差δt3，给出环境温差δt3和混凝土结构体内部温差δt4的经验关系，公式，δt3＝aδt4-b(1-4)，δt4＝t2-t1(1-5)，其中a，b的取值可根据实验所测得的混凝土内部温差δt4与环境温差δt3的数据，进行线性回归后，进行确定；且a，b的取值与超长混凝土结构的构件厚度有关连，厚度越大，a的取值越小；t1是混凝土结构完成时环境温度；t2是混凝土外围护结构完全封闭前最低温度。进一步地，步骤2的具体实现包括如下步骤：步骤a.得出框架结构温度变形的约束机理经过对上部超长混凝土结构在步骤1中各种温差情况下进行sap2000模拟分析得出：分析框架结构温度变形时，无论多层和高层，只考虑下面两层；框架梁所受柱的约束可等效为连续性约束进行计算；根据实际情况考虑框架结构各层间存在的最大温差时，底层梁降温大于上层梁时，所受约束最大。步骤b.确定典型框架结构等效连续性约束的地基水平阻力系数的取值在上部超长混凝土结构收缩过程的前期阶段，框架结构柱梁约束地基水平阻力系数，记为cx柱梁前，通过sap2000模拟计算可知其取值为：当超长混凝土结构跨度为6m时，cx柱梁前取0.005n/mm2～0.0073n/mm2；当超长混凝土结构跨度为8m时，cx柱梁前取0.006n/mm2～0.0088n/mm2；当超长混凝土结构跨度为10m时，cx柱梁前取0.0068n/mm2～0.012n/mm2；通过sap2000模拟计算可知，当所求框架结构层数在一到二层时，cx柱梁前值取对应的不同结构跨度范围内最大值；当所求框架结构层数在二层以上时，cx柱梁前值取对应的不同结构跨度范围内最小值。前期阶段框架结构的板梁约束等效为连续性约束，通过模拟和理论分析，得出板对梁约束的地基水平阻力系数，记为cx板梁前，取值0.06n/mm2；上部超长混凝土结构收缩过程的中后期阶段，经过模拟计算，框架结构柱对梁约束的地基水平阻力系数，记为cx柱梁中后，其取值为：当超长混凝土结构跨度为6m时，cx柱梁中后取0.008n/mm2～0.01n/mm2；当超长混凝土结构跨度为8m时，cx柱梁中后取0.011n/mm2～0.014n/mm2；当超长混凝土结构跨度为10m时，cx柱梁中后取0.016n/mm2～0.02n/mm2；其中，当所求框架结构不同层降温差差别较大且下层降温值低于上层降温值时，cx柱梁中后值取取对应的不同结构跨度范围内较小值；当所求框架结构不同层降温差差别较大且下层降温值高于上层降温值时，cx柱梁中后值取取对应的不同结构跨度范围内较大值；当所求框架结构不同层降温差差别较小时，cx柱梁中后值取取对应的不同结构跨度范围内间值；一般层间温差相差5℃左右视为较大温差。步骤c.典型框架结构最大约束应力σxmax的直接计算σxmax＝σ柱梁+σ板梁(1-61)，其中σ柱梁用王铁梦计算理论或sap2000模拟计算得到，δt0梁为梁的水化热降温差，由王铁梦的《工程结构裂缝控制“抗与放”的设计原则及其在“跳仓法”施工中的应用》中可知前期应力松弛系数h前(t,τ)取0.24；步骤d.基于等效连续性约束的框架结构约束应力σxmax的计算框架结构前期阶段产生的约束应力σ前包括：梁板相同的水化热温差和干缩当量温差产生的约束应力，该由框架柱的约束产生的约束应力记为σ柱梁；以及板和梁之间温差产生的约束应力，该因梁降温大于板的部分受板梁约束产生的约束应力记为σ板梁；σ前＝σ柱梁前+σ板梁前(1-7)，其中，h为梁高，l为梁总的长度，e为混凝土的弹性膜量，α为线性膨胀系数，δt1梁为梁的水化热降温差，δt1板梁为梁相对于板多出的水化热降温；考虑混凝土的徐变和微裂缝的影响，应力被松弛减小，根据王铁梦对框架结构温度应力计算时提出的柱的刚度折减系数以及其书《工程结构裂缝控制“抗与放”的设计原则及其在“跳仓法”施工中的应用》中的应力松弛系数取值表，前期应力松弛系数h前(t,τ)取0.24，中后期应力松弛系数h中后(t,τ)可取0.4；中后期阶段产生的约束应力σ中后包括干缩当量温差产生的约束应力σ干缩当量温差和环境温差产生的约束应力σ环境温差，均由框架柱的约束产生，该框架柱的约束产生的约束应力记为σ柱梁中后，由此得出以下公式：σ中后＝σ干缩当量温差+σ环境温差＝σ柱梁中后(1-11)，t0＝δt2+δt3(1-14)，最后得出基于等效连续性约束的框架结构约束应力σxmax，σxmax＝σ前+σ中后(1-15)。进一步地，在步骤3中，统计间歇天数和框架结构最大约束应力的降低比例关系，间歇一天框架结构最大约束应力降低4％～6％，效果不明显，故不进行分析；间歇两天框架结构最大约束应力降低16％～23％；间歇3天框架结构最大约束应力降低18％～25％；间歇5天框架结构最大约束应力降低20％～27％；当间歇七天浇筑时，框架结构的最大约束应力降低22％～29％，通过有限元模拟分析，提出间歇影响系数β(t)，间歇影响系数β(t)的取值为：间歇时间为0天，间歇影响系数β(t)取1；间歇时间为2天，间歇影响系数β(t)取0.77～0.84；间歇时间为3天，间歇影响系数β(t)取0.75～0.82；间歇时间为5天，间歇影响系数β(t)取0.73～0.8；间歇时间为7天，间歇影响系数β(t)取0.71～0.78。进一步地，所述的用于上部超长混凝土结构施工中的防裂方法还包括混凝土浇筑后的用于降低最大约束应力的预应力施加措施，计算施加预应力的框架结构梁板的最大约束应力的计算步骤为：步骤ⅰ.设定一个假定的系数用于表示预应力对框架结构约束应变的影响作用，记为预应力影响系数ρ；步骤ⅱ.计算预应力影响系数ρ其中ec为混凝土弹性模量，δε为预应力施加后减少的约束应变值，σ为次梁截面预压应力，通过上述公式可得梁的预应力影响系数ρl为0.63，板的预应力影响系数ρb为0.89；步骤ⅲ.计算上部超长混凝土结构考虑预加应力的最大约束应力σymax，σymax＝σxmax-ρσyx，其中有效预应力σyx按预应力混凝土结构设计规范(jgj369-2016)进行计算。本发明具有以下有益效果：本发明的方法通过对上部超长混凝土结构独特的温差条件和约束条件的研究分析，确定了各种温差的取值方法和参考值，针对不连续约束提出相应的等效计算法，简化了框架结构最大约束应力的计算方法以及不同间歇时间下对应的框架结构的最大约束应力的计算方法，提出了施加预应力之后的最大约束应力的计算方法，更加方便地指导上部超长混凝土结构施工中间歇时间、分块长度以及其他相应附加措施的选择以尽可能地减小上部超长混凝土的开裂几率，提高了经济效益，对上部超长混凝土结构的施工具有重要的指导意义。具体实施方式实施例一：本发明所述的一种用于上部超长混凝土结构施工中的防裂方法，包括如下步骤：步骤1.选取上部超长混凝土结构作为实验数据，针对实验数据统计分析将混凝土结构收缩过程分为前期、中期和后期三个阶段，并提出前期中水化热温差δt1、中后期中干缩当量温差δt2和环境温差δt3的计算方法，初步回归了混凝土内部温差变化δt4和环境温差变化δt3之间的经验关系；步骤2.给出典型框架结构等效连续性约束的地基水平阻力系数，结合步骤1中的各温差提出典型框架结构最大约束应力σxmax的直接计算方法和基于等效连续性约束的框架结构最大约束应力σxmax的计算方法；步骤3.给出不同间歇时间对框架结构最大约束应力降低比例的对应关系，进而提出相应的间歇影响系数β(t)；同时得出，在间歇时间一定时，分块长度与框架结构最大约束应力降低值成负相关的规律；步骤4.计算相应间歇时间下的框架结构最大约束应力σ(t)xmax，σ(t)xmax＝σxmaxβ(t)；步骤5.根据步骤3和步骤4的结论，指导上部超长混凝土框架结构间歇施工中间歇时间和分块长度的选择。进一步地，在步骤1中，选取上部超长混凝土结构作为实验数据，此处选择青岛市红岛会展中心工程和青岛市市南区教学楼工程的梁板作为实验数据，将混凝土结构收缩过程分为前、中和后期三个阶段；并对各种温差进行了针对性研究，包括前期的水化热温差δt1、中后期的干缩当量温差δt2和环境温差δt3，发现这三种温差对上部结构的影响较大，其中环境温差δt3与混凝土内部温差变化δt4存在差别，在上部结构梁板约束应力计算中不可忽视，在三个阶段温差构成的分析研究中，得出前期梁的水化热温差δt1占整个温差值的20％，大于板的；而中后期占整个温差值的比例可达70％的，以干缩当量温差δt2和环境温差δt3为主，其中环境温差δt3影响较大，特别是短时间内的突变性环境温差δt3更容易引起结构开裂。通过实验数据的研究为下面进行的上部超长混凝土框架结构约束应力计算提供温差取值的依据和方法，实现包括步骤①和②：①水化热温差δt1、干缩当量温差δt2计算方法按照《工程结构裂缝控制(第二版)》，取值方法为：水化热温差δt1取分布图形平均值按公式(1-1)计算：式中：tmax是水热最高温度，t稳定是水化热稳定后周围的温度；干缩当量温差δt2的计算公式：εy(t)＝ε0*m1*m2…m11(1-e-bt)(1-2)，其中，εy(t)是任意时间的收缩；b＝0.01，该取值与养护条件有关，时间t以天为单位，从浇筑时起到计算时止；ε0为最终收缩，标准状态为3.24*10-4；m1…m11为考虑各种非标准条件的修正系数，包括水泥品种、水灰比、环境湿度、自然养护等等；α是混凝土热膨胀系数，取1*10-5；②环境温差δt3取值应考虑框架结构开始施工时间、各层完成时间、结构封闭时间及季节温度变化，并且要将环境温差δt3转变为混凝土结构体内温差δt4，δt3＝aδt4-b(1-4)，δt4＝t2-t1(1-5)，其中a，b的取值可根据实验所测得的混凝土内部温差δt4与环境温差δt3的数据进行线性回归后确定；且a，b的取值与超长混凝土结构的构件厚度有关连，厚度越大，a的取值越小；t1是混凝土结构完成时环境温度；t2是混凝土外围护结构完全封闭前最低温度；其中，200mm厚楼板和400mm厚次梁的a、b参数取值可见表1-1：表1-1红岛工程混凝土结构体内温差计算公式进一步地，步骤2的具体实现包括如下步骤：步骤a.得出框架结构温度变形的约束机理经过对上部超长混凝土结构在步骤1中各种温差情况下进行的sap2000模拟分析得出框架结构温度变形的约束机理：1)分析框架结构温度变形时，无论多层和高层，只考虑下面两层就可以，温差在底层是一个最不利状态，这也和王铁梦的基本理论相符合；2)框架梁所受柱的约束可以等效为连续性约束进行计算分析；3)根据实际情况考虑框架结构各层间存在的最大温差时，底层梁降温大于上层梁时，所受约束最大。步骤b.确定典型框架结构等效连续性约束的地基水平阻力系数的取值将上部结构温度收缩分为三个阶段，其中前期主要是水化热作用，根据现场实际施工情况，在这个阶段，该层结构刚刚浇筑，上层结构还没有浇，所以该层梁只受下层结构约束，又因为梁板的水化热温差不同，故在前期该层框架梁既受到下层框架结构的约束又受到来自本层板的约束，如表2-2为前期框架结构柱梁地基水平阻力系数cx柱梁前取值表：表2-2前期框架结构柱梁约束地基水平阻力系数取值表其中，通过sap2000模拟计算可知，当所求框架结构层数在一到二层时，cx柱梁前值取对应的不同结构跨度范围内最大值；当所求框架结构层数在二层以上时，cx柱梁前值取对应的不同结构跨度范围内最小值。对于板对梁的约束可单纯看作连续性约束，但不能按照王铁梦的地基水平阻力系数表来取值，因为这时梁板一般同时浇筑，不同于在混凝土板上浇筑墙体。通过模拟无板框架梁降温和有板框架梁降温来对比，其中除了有无板外其余参数均相同，用有板框架所得最大应力减去无板框架所得最大应力，然后经公式反算可得板对梁的约束为0.06n/mm2，即板梁地基水平阻力系数cx板梁前＝0.06n/mm2。对于上部框架结构温度收缩的中后期阶段，这时由于上层结构陆续开始浇筑，该层结构受到上下层框架的约束，温差主要是环境温差和干缩当量温差，本层的梁板在这两种温差作用下是同时降温，不存在降温差，所以该层框架梁收缩的中后期阶段只受到上下层结构的约束，不再受到本层板的约束。根据实际情况，由于环境温度的变化，框架各层温差存在差别，中后期阶段框架柱梁地基水平阻力系数cx柱梁中后取值通过模拟计算可得如下表2-3：表2-3中后期框架结构柱梁约束地基水平阻力系数cx柱梁中后取值表其中，当所求框架结构不同层降温差差别较大且下层降温值低于上层降温值时，cx柱梁中后值取取对应的不同结构跨度范围内较小值；当所求框架结构不同层降温差差别较大且下层降温值高于上层降温值时，cx柱梁中后值取取对应的不同结构跨度范围内较大值；当所求框架结构不同层降温差差别较小时，cx柱梁中后值取取对应的不同结构跨度范围内间值；一般层间温差相差5℃左右视为较大温差。步骤c.典型框架结构最大约束应力σxmax的直接计算直接计算方法和sap2000的模拟计算对比结果相近，两者原理基本相同：σxmax＝σ柱梁+σ板梁(1-61)，其中σ柱梁用王铁梦计算理论或sap2000模拟计算得到，δt0梁为梁的水化热降温差，由王铁梦的《工程结构裂缝控制“抗与放”的设计原则及其在“跳仓法”施工中的应用》中可知前期应力松弛系数h前(t,τ)取0.24；注意在王铁梦理论计算时若考虑弹性抵抗，则所得的框架结构约束应力不再重复考虑应力松弛。步骤d.基于等效连续性约束的框架结构约束应力σxmax的计算框架结构前期阶段产生的约束应力σ前包括：①梁板相同的水化热温差和干缩当量温差产生的约束应力，该约束应力由框架柱的约束产生，记为σ柱梁；②板和梁之间温差产生的约束应力，该约束应力因梁降温大于板的部分受板梁约束产生，记为σ板梁；考虑混凝土的徐变和微裂缝的影响，应力会被松弛减小，根据王铁梦对框架结构温度应力计算时提出的柱的刚度折减系数以及其书中的应力松弛系数取值表，前期和中后期的松弛系数取值不同，前期应力松弛系数h前(t,τ)可取0.24，中后期应力松弛系数h中后(t,τ)可取0.4；σ前＝σ柱梁前+σ板梁前(1-7)，其中，h为梁高，l为梁总的长度，e为混凝土的弹性膜量，α为线性膨胀系数，δt1梁为梁的水化热降温差，δt1板梁为梁相对于板多出的水化热降温；中后期阶段产生的约束应力σ中后包括干缩当量温差产生的约束应力σ干缩当量温差和环境温差产生的约束应力σ环境温差，均由框架柱的约束产生，该框架柱的约束产生的约束应力记为σ柱梁中后，由此得出以下公式：σ中后＝σ干缩当量温差+σ环境温差＝σ柱梁中后(1-11)，t0＝δt2+δt3(1-14)，最后得出基于等效连续性约束的框架结构约束应力σxmax，σxmax＝σ前+σ中后(1-15)。以上为将框架结构约束机理等效为连续性约束后的最大约束应力σxmax简化计算法。进一步地，在步骤3中，间歇1天浇筑时，框架结构最大约束应力降低4％～6％，效果不明显，故不进行分析；间歇两天浇筑时，框架结构最大约束应力降低16％～23％；间歇3天浇筑时，框架结构最大约束应力降低18％～25％；间歇5天框架结构最大约束应力降低20％～27％；当间歇7天浇筑时，框架结构的最大约束应力降低22％～29％。当间歇时间一定时，分块长度与框架结构最大约束应力降低值成负相关，即分块长度越小，最大约束应力降低值越大。所以，在工程实际可操作的范围内，尽可能地降低分块区段长度和增加间歇时间可以有效地降低最大约束应力，但实际工程中由于多方面的影响，施工组织和施工工序的协调，分块长度和间歇时间不能取最优搭配，经对实际工程施工中不同的分块长度及间歇时间的试验结果进行统计与整理分析可知，分块长度在30m～50m，间歇2～3天浇筑能很好地降低最大约束应力。通过有限元模拟分析，提出间歇影响系数β(t)，可以用表格3-4表示如下：表3-4不同间歇时间下间歇系数β(t)取值表间歇时间间歇系数不间歇1间歇两天0.77～0.84间歇三天0.75～0.82间歇五天0.73～0.8间歇七天0.71～0.78根据对间歇时间的分析，对不同间歇时间下上部超长框架结构约束应力的简化计算方法如下：运用典型框架结构最大约束应力的直接计算法或等效连续性约束框架结构最大约束应力计算法计算整块框架结构不间歇浇筑时的最大约束应力σxmax，再乘以相应的间歇影响系数β(t)，间歇影响系数从表3-4中取值，可得相应间歇时间下的框架结构最大约束应力σ(t)xmax，计算公式如下：σ(t)xmax＝σxmaxβ(t)(1-16)；利用公式(1-16)能够较准确地算出框架结构间歇浇筑时的最大约束应力σ(t)xmax。综上，通过运用王铁梦对框架结构约束应力的基本理论和sap2000模拟探究框架结构约束机理，提出框架结构约束应力的等效连续性约束计算方法；依据青岛市市南区教学楼工程测温试验数据和上部结构梁板温差构成的研究结论，提出了考虑间歇时间的框架结构约束应力的计算法，并进行了不同间歇时间下和不同分块长度的上部超长框架结构梁收缩应力的计算分析，得出不同间歇时间对降低上部超长框架结构最大约束应力的具体数值，提出相应的间歇影响系数。结合本发明所提供的方法，通过对实际工程项目的施工组织安排、分块长度及间歇时间综合考虑分析，为上部超长混凝土结构间歇法施工提供指导：1)框架结构分区施工的间歇时间一般为2天以上。当间歇1天时，可以有效的减小最大约束应力的5％左右，间歇效用可以忽略；当间歇2天以上时，可以减小最大约束应力16％以上，随着间歇时间的增加，间歇效用也逐渐增大。因此，框架结构施工时，应控制间歇时间不小于2天，并按照分区施工的间歇时间，取相应的间歇影响系数β(t)计算最大约束应力；2)框架结构施工区段的长度一般在30m～50m，该分块长度可以有效地减小约束应力。因此，需按照现场实际的分块长度确定间歇系数的取值；3)间歇时间2天～7天时，减小的约束应力变化增幅很小。因此，框架结构施工时应按实际施工节拍控制间歇时间，不宜采用调整施工节拍增加间歇时间的技术措施。进一步地，本方法还可以包括混凝土浇筑后的用于降低最大约束应力的预应力施加措施，从青岛市红岛会展中心工程预应力结构的试验数据中可以发现预应力大大减少了长期约束应力，尤其是对温度突变期后增长的约束应力有很大的作用。若预应力在温度突变期前施加，则会减少前期的收缩应力，并且会对长期的收缩应力提供压应力储备，用来抵消后期产生的约束应力，使结构的收缩应力一直保持在一个较小的范围内，减小结构可能出现的最大约束应力值。该预应力施加措施中施加预应力的框架结构梁板的约束应力的计算方法包括如下步骤：步骤ⅰ.设定一个假定的系数用于表示预应力对框架结构约束应变的影响作用，记为预应力影响系数ρ；步骤ⅱ.计算预应力影响系数ρ：其中ec为混凝土弹性模量，δε为预应力施加后减少的约束应变值，σ为次梁截面预压应力，可按预应力混凝土结构设计规范(jgj369-2016)进行计算，通过公式(1-17)可得梁的预应力影响系数ρl为0.63，板的预应力影响系数ρb为0.89；步骤ⅲ.计算上部超长混凝土结构考虑预加应力的最大约束应力σymax，计算公式如下：σymax＝σxmax-ρσyx(1-18)，其中有效预应力σyx按预应力混凝土结构设计规范(jgj369-2016)进行计算，考虑预加应力的最大约束应力的计算法，为预应力结构约束应力的计算提供依据，有效指导了预应力施加措施的施工进行。以上所述为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的
技术领域：
，均同理包括在本发明的专利保护范围内。当前第1页12