暗柱对某变电站混凝土墙体收缩性能的影响研究

蒋昱楠，刘 勇，魏珍中，李 林，郑玉超

(山东电力工程咨询院有限公司，山东 济南 250013)

1 概述

改革开放以来，随着我国建筑技术水平的提高，以及城市用地的日益紧张，为满足城市电力供应需求，地下变电站等工业建筑不断涌现。对于地下混凝土结构而言，由混凝土的不均匀收缩、水化热等引起的混凝土墙体施工期开裂问题对混凝土结构整体稳定性的影响更为突出。在地下变电站建筑中，如果墙体在施工期产生过多的非结构性裂缝，会严重影响结构的耐久性及内部设备的正常使用，在一些特殊地形中，更会产生地下水渗漏，造成经济损失与人员伤亡。因此，对钢筋混凝土墙体施工期约束收缩裂缝的研究有利于保证整个地下变电站的正常使用及耐久性，节约由此产生的资源浪费，具有很强的现实意义。

目前，国内外针对混凝土墙体的约束收缩问题进行了大量研究。Tazawa等[1-2]从混凝土配合比方面入手，对不同配合比的混凝土进行自由收缩试验。研究结果表明，混凝土的自由收缩会随水灰比的降低而增大；在混凝土中加入某些掺合料能有效地减小混凝土的自收缩；K.van Breugel等[3]在室内试验的基础上，研究了钢筋对高强混凝土早期收缩开裂的影响。通过对混凝土施加不同的养护温度和设置不同的配筋率，分析了钢筋对混凝土早期开裂的影响。试验结果表明，钢筋可以在一定程度上抑制混凝土早期收缩裂缝的出现。王铁梦先生[4]提出了预测混凝土收缩应变随龄期变化的“王铁梦模型”，并提出“抗”与“放”的裂缝防治理念；郭昌生等[5]采用平均刚度法，推导了受桩基底板约束的超长混凝土墙板收缩应力的简化计算公式，并通过该公式对不同参数下超长墙体的收缩应力进行计算。结果表明，底板约束作用对墙体收缩应力的发展具有重要影响。

由上述研究可以看出，现有的对于混凝土墙体收缩性能的研究大部分只针对混凝土墙体本身，在地下变电站中，通常在设计时会在墙体中设置一定数量的暗柱来增强结构整体稳定性并承担部分荷载，暗柱在施工时一般与墙体同时浇筑，其中配筋方式与周围墙体有所差异，因此，与暗柱同时浇筑时的墙体收缩性能和墙体单独浇筑时的墙体收缩性能也会有所差异，基于此，本文利用有限元分析软件DIANA，以某地下变电站工程混凝土墙体为工程基础，进行与暗柱同时浇筑时的墙体收缩性能分析，并与墙体内无暗柱时的情况进行对比。

2 模型建立

2.1 工程简介

本文以某地下变电站工程混凝土墙体为工程基础进行分析。混凝土强度等级为C30，工程混凝土配合比见表1，钢筋为HRB500型钢筋。

表1 混凝土配合比(强度等级：C30P8) kg/m3

用于本文分析中的混凝土墙体厚1 000 mm，浇筑高度5 150 mm，浇筑长度50 m，为保证整体结构的稳定性和安全性，墙体内部设置了宽度为1 m的暗柱，各暗柱中轴线距离为8 m，暗柱具体布置情况如图1所示。

混凝土墙体内竖向与水平配筋均为HRB500，直径22 mm，间距150 mm。

如图1所示，暗柱截面尺寸为1 000 mm×1 000 mm，配4根直径25 mm的角筋，四边各配5根直径22 mm的中部筋，箍筋HRB400，直径8 mm，间距200 mm(7×7支箍，布置方式如图2所示[6])，箍筋加密区1 000 mm(底部1 850 mm)。

2.2 模型参数及监测点选取

本文使用有限元分析软件DIANA进行建模分析，为更好的分析暗柱对墙体收缩性能的影响，特设置墙体内无暗柱的情况进行对照。各参数取值情况如下：

收缩曲线采用我国规范GB 50496—2018大体积混凝土施工标准[7]中的公式进行计算：

(1)

混凝土弹性模量随龄期变化规律按式(2)进行计算：

E(t)=βE0(1-e-φt)

(2)

抗拉强度随龄期变化规律按式(3)进行计算：

ftk(t)=ftk(1-e-γt)

(3)

混凝土材料本构模型采用总应变旋转裂缝模型，拉伸软化曲线选用荷兰学者Hordijk于1991年提出的Hordijk拉伸软化模型，该模型混凝土应力-应变关系如下[8]：

当0≤ε<ε0时：

σ=Ec×ε

(4)

当ε0≤ε≤εcr时：

(5)

(6)

其中，ε0为混凝土受拉峰值应变；εcr为混凝土受拉极限应变；Gf为混凝土断裂能，N/mm；C1，C2均为系数，可分别取3，6.93。

钢筋网片选用Grid钢筋网片单元进行建模，钢筋本构模型选择理想的双折线应力-应变曲线。

墙体有限元模型如图3所示。

由于墙体长度中间截面所受约束程度最大，是贯穿裂缝的高发区，因此，在本小节研究中，主要对该截面上的应力进行研究。各点位置如图4所示。各点沿墙长度方向正应力分别用符号σyy1，σyy2，σyy3，σyy4，σyy5，σyy6(拉正压负)表示。

3 结果分析

3.1 应力分析结果

墙体内有暗柱时与无暗柱时的中间截面各点在浇筑后6 d,7 d两种情况的应力分析结果对比见表2。由表2可以看出，墙体内有暗柱与无暗柱时的中间截面应力结果差距并不大。且经分析表明，此时墙体的整体应力变化趋势与无暗柱时基本一致。

表2 墙体内有无暗柱时应力分析结果对比

由此分析结果可以看出，当墙体内存在暗柱时，其对墙体施工期约束收缩应力值的影响很小。

3.2 裂缝分析结果

为更形象的表示暗柱的设置对墙体收缩性能影响，本小节中首先介绍墙体单独浇筑时的裂缝发展情况。

当墙体单独浇筑时，在墙体浇筑后8 d时，由于混凝土的收缩以及基础底板的约束作用，墙体中间截面处出现竖向贯穿裂缝，在墙体浇筑9 d后，在距墙体端部约1/4L处出现贯穿裂缝。随着时间的推移，在墙体距端部约1/8L和3/8L处又出现两条裂缝，且最靠近端部的裂缝约与地面呈45°角向外倾斜，此时墙体的裂缝分布图如图5所示。

经分析表明，当墙体内存在暗柱时，在浇筑后8 d，在中间两暗柱与墙体交界处产生两道竖向贯穿裂缝，如图6(a)所示，从图6可以看出，此时大部分贯穿裂缝集中在墙体与暗柱的交界处。这可能是由于暗柱的收缩变形小于墙体，二者之间存在变形差，导致连接处产生拉应力，进而产生贯通裂缝。

经过对比图5，图6的分析结果可以看出，当墙体内设置暗柱时，墙体施工期的约束收缩裂缝多出现在墙体与暗柱的交界处。

经分析墙体内有、无暗柱时的墙体最大贯穿裂缝宽度位于墙体顶部，如图7所示，经查阅相关资料，墙体施工期约束收缩裂缝最大宽度值的分布情况主要与墙体长高比L/H有关，当L/H>3.0时，墙体更易在整个高度范围内形成贯穿裂缝[9]，当L/H>5.0时，贯穿裂缝宽度从底部向墙壁顶部增加，其最大宽度位于墙壁上边缘；当2.0

墙体内有、无暗柱时的最大贯穿裂缝宽度(以ωmax表示)对比见表3。从表3可以看出当墙体内存在暗柱时，墙体的贯穿裂缝宽度要比无暗柱时大。

表3 墙体内有无暗柱时ωmax值对比

通过本节的有限元分析结果可以看出：当墙体内设置暗柱时，墙体与暗柱的交界处是收缩裂缝的高发区，在施工期间要尤其注意对该处的收缩裂缝防治。

4 结语

本文以某地下变电站工程混凝土墙体为工程基础，进行了与暗柱同时浇筑时的墙体收缩性能分析，得出如下结论：

1)施工阶段，墙体有、无暗柱时的墙体收缩应力分析结果相差不大。

2)当墙体内存在暗柱时，墙体施工期收缩裂缝主要分布于墙体与暗柱的交界处。

3)与暗柱同时浇筑时，墙体最大贯穿裂缝宽度要大于墙体单独浇筑时的情况。

4)当墙体内设置暗柱时，墙体与暗柱的交界处是收缩裂缝的高发区，在施工期间要尤其注意对该处的收缩裂缝防治。