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收缩徐变和温度对钢筋混凝土建筑
施工期荷载分布的影响
方东平1，席海峰1，王晓明2，张传敏3
1.清华大学土木工程学院，北京100084；
2.澳大利亚维多利亚州墨尔本联邦科学与工业研究组织（CSIRO）城市系统计划，
CSIRO可持续生态系统；
3.河南省发展和改革委员会，郑州450003
摘要：现场测试表明，在混凝土养护期间，板荷载在板间重新分布，而外部荷载和结构几何形状保持不变。有人认为这是由混凝土收缩和徐变引起的，但是还没有关于这些因素是如何精确地影响载荷分布和这些影响存在程度的研究。本文分析了混凝土收缩，徐变和温度对板间荷载重新分配的影响。虽然这些因素都有可能导致荷载重新分布，但结果表明混凝土收缩的影响可以忽略不计。仿真结果表明，收缩只能将板荷载降低最多1.1％。但是在普通结构体系中徐变可将最大板荷载减少3％至16％。更重要的是，昼夜温差会导致负载波动高达31.6％。因此，该分析可以帮助现场工程师更准确地估算施工计划中的板荷载。
关键词：钢筋混凝土建筑物; 施工; 负载重新分配; 结构特征参数; 板岸相互作用;收缩; 徐变和温度
介绍
近年来钢筋混凝土建筑在施工过程中的安全性引起了很多研究的关注。许多研究表明在施工期间钢筋混凝土建筑的失效率比使用期间高。中国和印度等城市人口密度高的国家近期的经济发展推动了高成本和高效率的高层混凝土建筑。然而，在施工过程中由于过载导致的板坍塌和板裂缝的事件经常被报道。最重要的原因之一是尽管在许多研究中已经分析了混凝土浇筑和板拆除过程中的荷载分布，但建筑设计师和工程师仍然不完全理解施工期间混凝土结构中的荷载分布，特别是板养护期间的荷载重新分布。许多研究都认为当外部荷载和结构几何不变时，养护过程中板间荷载的变化可以忽略不计。然而现场测量表明板荷载在养护过程中会重新分布。必须解决这个问题才能给出更准确的荷载分配估算，以确保施工期间的安全。
近50年来，许多关于钢筋混凝土建筑施工期荷载分布的研究，如Nielsen，Grundy和Ka-baila，Liu等人，而简化方法已经被ACI的Conwork模板推荐。然而，所有这些研究都是基于弹性分析而没有考虑固化过程中的载荷重新分布。
近年来荷载重新分布的问题变得更加明显。1991年Chen和Mo-sallam指出，由于混凝土刚度、收缩和徐变的变化，板荷载在养护过程中会重新分布，并提出了一种改进的简化方法。然而，没有给出理论分析或现场测量来支持修改的简化方法。后来Rosowsky等人发现新浇筑的板结构所受的荷载是波动的，在养护期间荷载降低。Fang等人更详细地测量了三层结构荷载的变化以进一步验证荷载重新分布的现象。
负荷重新分配的原因是由Zapata和Bazant提出，他们探讨了使用简化方法研究徐变的影响，并得出徐变几乎没有影响。Liu和Chen使用精细化方法分析了木质结构和板徐变对荷载分布的影响。Lee等人对这种分析进行了改进，并提供了一种方法来分析徐变对整个建筑过程的影响。然而，混凝土收缩和温度变化对荷载重新分配的影响尚不清楚。
本研究讨论了徐变，混凝土收缩和温度变化如何导致各种各种结构体系的混凝土板之间的荷载重新分配。没有考虑负荷重新分布的结构特征参数方法被修改以分析这些效应。本文不是开发一种新的复杂方法来分析施工期间钢筋混凝土建筑物的荷载重新分布情况，而是解释荷载重新分布与养护过程中混凝土收缩，徐变和温度变化之间的关系。然后结果可以应用到建设规划和安全管理中。
1 养护期间荷载重新分布
收缩，徐变和温度变化将使板发生偏转，这将导致板在养护期间板之间的荷载重新分布。图1显示了钢筋混凝土建筑物的二维分析模型。
图1典型钢筋混凝土建筑施工模型
1.1混凝土收缩对楼板挠度的影响
收缩代表没有外力的体积减少。当钢筋中的钢筋与中性轴不对称时，混凝土的收缩会导致钢板的弯曲和弯曲。考虑图2中横截面高度为h，有效高度h0的混凝土覆盖层和εcf的自由混凝土收缩应变的截面。单位力作用下钢筋和钢筋混凝土的应变为εs11和εc11。
（1）
（2）
式中Es是钢筋弹性模量，As是钢筋截面面积，Ec是混凝土弹性模量，Ac是混凝土截面面积，Ic是混凝土截面的惯性矩。
图2 截面曲率的计算模型
假定钢筋张力为T1，而钢筋变形引起的混凝土压力假设为T2，
（3）
（4）
根据平截面的假设，由于两个力必须相等，
（5）
（6）
因此截面曲率可以表示为
（7）
其中kappa;是由混凝土收缩引起的截面曲率。
如果板端部的转动刚度是k0，中跨挠度可以计算为
（8）
式中为混凝土板跨中挠度，L为板跨径，i为板的线刚度;对于简支板，对于固定板。
1.2混凝土徐变对板挠度的影响
由于钢筋支撑在中国高层钢筋混凝土建筑中得到了广泛的应用，因此这里不考虑木结构做为支撑结构的徐变影响。通常，当混凝土材料中的应力小于其极限强度的40％-50％时，可以采用线弹性理论。在本分析中使用叠加原理，以便由总应力引起的应变等于由总应力的每个分量引起的应变的线性叠加。因此考虑徐变影响的板的挠度可以表示为：
（9）
式中为由混凝土徐变引起的中跨挠度，为受到初始荷载的板的养护时间（填），为在第天加载在板上的荷载变化值，为在第天（通常为）的板的弯曲刚度，为板在28天之后的弯曲刚度。
1.3温度变化沿结构长度的影响
施工过程中的钢筋混凝土结构通常暴露在室外，因此受到环境温度变化（特别是昼夜循环）的影响，本文将对此进行研究。为了简单起见，每个昼夜周期的温度变化由图3中所示的锯齿函数表示。当温度变化时，钢桁架、混凝土柱和墙将膨胀和收缩。由于钢筋具有较高的热膨胀系数和相对较小的厚度，因此假定钢筋与环境温度相同。
图3 日/夜周期性温度和混凝土构件内部平均温度变化
混凝土通常具有较小的热膨胀系数和较大的体积，因此整个结构的混凝土需要相对较长的时间才能达到环境温度。对于经受的环境温度变化的400mm厚的剪力墙，中心部分将达到大约的0.4倍，时滞大约8小时。因此，为了简化，每个混凝土板的温度分布由图3所示的锯齿函数表示。因此相对的结构长度变化可以表示为：
（10）
式中为钢筋的热膨胀系数，为混凝土材料的热膨胀系数，H为计算长度，为在时间为t时的环境温度，为在时间为t时混凝土板的平均温度分布。
1.4考虑收缩，徐变和温度变化的载荷分布计算
钢筋混凝土建筑施工主要的三个步骤：（1）浇筑新的钢筋混凝土板；（2）养护新浇筑的钢筋混凝土板；（3）拆除钢筋混凝土板。
在步骤1和步骤3中，板荷载发生显著变化而且荷载分布可以通过结构特征参数方法计算。然而Fang等人忽略了步骤2中的荷载变化。更详细的荷载分布分析必须包括步骤2中国的荷载重新分布。如图1 所示，假设该结构具有n层，通过n-1层连接，根据以下离散建模算法计算由收缩，徐变和温度变化产生的荷载重新分布：
（1）将养护周期分成一系列N个时间间隔，然后计算每个时间间隔内的荷载重新分配，即从tj-1到tj（j=1，2，hellip;，N）。
（2）计算tj-1到tj时间间隔内混凝土板的有效弹性模量。
（3）对于第m层的荷载增量，从tj-1到tj，计算由于载荷增加，徐变，收缩和温度影响导致的挠度增加和结构长度变化。
（4）根据每块板的受力和挠度平衡计算从tj-1到tj 的。
（5）对于所有时间间隔重复步骤（2）至（4），其总和为养护期间的总荷载载变化。
从时间tj-1到tj内，板m挠曲变化为：
（11）
式中为板m从tj-1到tj 的变形增量，为由收缩引起的变形增量，见公式（8），为由混凝土徐变引起的变形增量，见公式（9），Kmj为从tj-1到tj的板有效弯曲刚度。
由于新浇注的混凝土正被养护并且假定没有外力，因此新铸造的板没有收缩或徐变，因此，当m等于n时和是0。
从tj-1到tj位移兼容性要求：
（12）
（13）
式中为m层以下结构长度从tj-1到tj的变化，为m层以下结构荷载从tj-1到tj的变化，为m层以下结构的刚度，为从tj-1到tj的由温度改变引起的结构长度变化量，见公式（10）。
另外，荷载变化应该满足：
（14）
（15）
方程（11）到（15）课用于计算。在整个养护过程中，重复所有的时间间隔的程序以获得荷载重新分配到每块板上。
2案例分析
在此分析中使用最近已知的现场测量，如案例1。由于这些板由钢筋支撑而不是混凝土柱或墙体支撑，因此在这种情况下不考虑温度变化的影响。包括重新分布的计算负荷分布与表1中其他方法的结果进行比较。
表1 现行方法与其他方法和现场测量结果的比较
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施工步骤 |
日期 |
板 |
测得荷载 |
计算一层板的荷载/自重 |
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简化方法 |
连续方法 |
SPC方法 |
本文分析 |
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值 |
误差（%） |
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